Квантовая точка - Quantum dot

Коллоидные квантовые точки, облученные УФ-светом. Квантовые точки разного размера излучают свет разного цвета из-за квантового ограничения .

Квантовые точки ( КТ ) представляют собой полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров , обладающие оптическими и электронными свойствами, которые отличаются от более крупных частиц из-за квантовой механики . Они являются центральной темой нанотехнологий . Когда квантовые точки освещаются УФ-светом, электрон в квантовой точке может быть возбужден до состояния с более высокой энергией. В случае полупроводниковой квантовой точки этот процесс соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости . Возбужденный электрон может вернуться в валентную зону, высвобождая свою энергию за счет излучения света. Это световое излучение ( фотолюминесценция ) показано на рисунке справа. Цвет этого света зависит от разницы энергий между полосой проводимости и валентной зоной .

На языке материаловедения наноразмерные полупроводниковые материалы жестко ограничивают электроны или электронные дырки . Квантовые точки иногда называют искусственными атомами , подчеркивая их особенность, имея связанные дискретные электронные состояния , такие как естественные атомы или молекулы . Было показано, что электронные волновые функции в квантовых точках аналогичны волновым функциям реальных атомов. Соединяя две или более таких квантовых точек, можно создать искусственную молекулу , проявляющую гибридизацию даже при комнатной температуре.

Квантовые точки обладают промежуточными свойствами между объемными полупроводниками и дискретными атомами или молекулами. Их оптоэлектронные свойства меняются в зависимости от размера и формы. Более крупные квантовые точки диаметром 5–6 нм излучают более длинные волны с такими цветами, как оранжевый или красный. Квантовые точки меньшего размера (2–3 нм) излучают более короткие волны, давая такие цвета, как синий и зеленый. Однако конкретные цвета меняются в зависимости от точного состава КТ.

Потенциальные применения квантовых точек включают одноэлектронные транзисторы , солнечные элементы , светодиоды , лазеры , источники однофотонов , генерацию второй гармоники , квантовые вычисления , исследования клеточной биологии, микроскопию и медицинскую визуализацию . Их небольшой размер позволяет суспендировать некоторые квантовые точки в растворе, что может привести к их использованию в струйной печати и центрифугировании. Они использовались в тонких пленках Ленгмюра-Блоджетт . Эти методы обработки приводят к менее дорогим и менее трудоемким методам изготовления полупроводников .

Производство

Квантовые точки с постепенно меняющимся светом от фиолетового до темно-красного

Есть несколько способов изготовления квантовых точек. Возможные методы включают коллоидный синтез, самосборку и электрическое стробирование.

Коллоидный синтез

Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы синтезируются из растворов, как и традиционные химические процессы . Основное отличие заключается в том, что продукт не осаждается в виде твердого вещества и не остается растворенным. Нагревая раствор при высокой температуре, предшественники разлагаются с образованием мономеров, которые затем зарождаются и образуют нанокристаллы. Температура является критическим фактором при определении оптимальных условий для роста нанокристаллов. Он должен быть достаточно высоким, чтобы обеспечить перегруппировку и отжиг атомов в процессе синтеза, и в то же время достаточно низким, чтобы способствовать росту кристаллов. Концентрация мономеров - еще один важный фактор, который необходимо строго контролировать во время роста нанокристаллов. Процесс роста нанокристаллов может происходить в двух разных режимах: «фокусировка» и «дефокусировка». При высоких концентрациях мономера критический размер (размер, при котором нанокристаллы не растут и не сжимаются) относительно невелик, что приводит к росту почти всех частиц. В этом режиме более мелкие частицы растут быстрее, чем большие (так как более крупным кристаллам для роста требуется больше атомов, чем маленьким кристаллам), что приводит к фокусировке распределения по размерам , что приводит к невероятному распределению почти монодисперсных частиц. Фокусировка по размеру является оптимальной, когда концентрация мономера поддерживается такой, что средний размер присутствующих нанокристаллов всегда немного больше критического размера. Со временем концентрация мономера уменьшается, критический размер становится больше, чем средний имеющийся размер, и распределение расфокусируется .

Квантовые точки сульфида кадмия на клетках

Существуют коллоидные методы производства множества различных полупроводников. Типичные точки сделаны из бинарных соединений , таких как сульфида свинца , селенида свинца , селенида кадмия , сульфида кадмия , теллурид кадмия , индия , арсенида и фосфида индия . Точки также могут быть сделаны из тройных соединений, таких как сульфид селенида кадмия. Кроме того, недавние достижения позволили синтезировать квантовые точки коллоидного перовскита . Эти квантовые точки могут содержать от 100 до 100 000 атомов в объеме квантовой точки с диаметром от ≈10 до 50 атомов. Это соответствует примерно 2-10 нанометрам , а при диаметре 10 нм почти 3 миллиона квантовых точек могут быть выстроены встык и уместиться в пределах ширины человеческого большого пальца.

Идеализированное изображение коллоидной наночастицы сульфида (селенида) свинца с полной пассивацией олеиновой кислотой, олеиламином и гидроксильными лигандами (размер ≈5 нм)

Большие партии квантовых точек могут быть синтезированы путем коллоидного синтеза . Благодаря такой масштабируемости и удобству лабораторных условий методы коллоидного синтеза перспективны для коммерческого использования.

Плазменный синтез

Плазменный синтез стал одним из самых популярных газофазных подходов к созданию квантовых точек, особенно с ковалентными связями. Например, квантовые точки кремния (Si) и германия (Ge) были синтезированы с использованием нетепловой плазмы. Размер, форму, поверхность и состав квантовых точек можно контролировать в нетепловой плазме. Допирование, которое кажется довольно сложным для квантовых точек, также было реализовано в синтезе плазмы. Квантовые точки, синтезируемые в плазме, обычно имеют форму порошка, поверхность которого может быть модифицирована. Это может привести к превосходному диспергированию квантовых точек либо в органических растворителях, либо в воде (т. Е. Коллоидных квантовых точках).

Изготовление

Самособирающиеся квантовые точки обычно имеют размер от 5 до 50 нм. Квантовые точки, определяемые литографическим рисунком электродов затвора или травлением двумерных электронных газов в полупроводниковых гетероструктурах, могут иметь поперечные размеры от 20 до 100 нм.
Некоторые квантовые точки представляют собой небольшие области одного материала, погруженные в другой, с большей шириной запрещенной зоны . Это могут быть так называемые структуры ядро-оболочка, например, с CdSe в ядре и ZnS в оболочке, или из специальных форм кремнезема, называемых ормосилом . Субмонослойные оболочки также могут быть эффективными способами пассивирования квантовых точек, например, ядра PbS с субмонослойными оболочками CdS.
Квантовые точки иногда возникают спонтанно в структурах с квантовыми ямами из-за флуктуаций монослоя в толщине ямы.

Изображение, полученное с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с атомным разрешением, квантовой точки арсенида индия-галлия ( InGaAs ), погруженной в арсенид галлия ( GaAs ).

Самоорганизованные квантовые точки зарождаются спонтанно при определенных условиях во время молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и металлоорганической парофазной эпитаксии (MOVPE), когда материал выращивается на подложке, с которой он не согласован по решетке. Возникающая деформация приводит к образованию островков поверх двумерного смачивающего слоя . Этот режим роста известен как рост Странского – Крастанова . Острова могут быть впоследствии захоронены, чтобы сформировать квантовую точку. Широко используемым типом квантовых точек, выращиваемых с помощью этого метода, являются квантовые точки арсенида индия-галлия ( InGaAs ) в арсениде галлия ( GaAs ). Такие квантовые точки могут найти применение в квантовой криптографии (то есть в источниках одиночных фотонов ) и квантовых вычислениях . Основными ограничениями этого метода являются стоимость изготовления и отсутствие контроля над расположением отдельных точек.
Отдельные квантовые точки могут быть созданы из двумерных электронных или дырочных газов, присутствующих в удаленно допированных квантовых ямах или полупроводниковых гетероструктурах, называемых боковыми квантовыми точками . Поверхность образца покрыта тонким слоем резиста. Затем с помощью электронно-лучевой литографии на резисте определяется боковой узор . Затем этот узор может быть передан электронному или дырочному газу путем травления или нанесения металлических электродов (процесс отрыва), что позволяет приложить внешние напряжения между электронным газом и электродами. Такие квантовые точки в основном представляют интерес для экспериментов и приложений, связанных с переносом электронов или дырок, т. Е. С электрическим током.
Энергетический спектр квантовой точки можно спроектировать, управляя геометрическим размером, формой и силой удерживающего потенциала. Также, в отличие от атомов, квантовые точки относительно легко соединить туннельными барьерами с проводящими выводами, что позволяет применять методы туннельной спектроскопии для их исследования.

Характеристики поглощения квантовых точек соответствуют переходам между дискретной трехмерной частицей в коробчатых состояниях электрона и дырки, которые заключены в одну и ту же коробку нанометрового размера. Эти дискретные переходы напоминают атомные спектры и приводят к тому, что квантовые точки также называют искусственными атомами .

Ограничение в квантовых точках также может возникать из-за электростатических потенциалов (генерируемых внешними электродами, легированием, деформацией или примесями).
Дополнительную технологию металл-оксид-полупроводник (CMOS) можно использовать для изготовления кремниевых квантовых точек. Сверхмалые (L = 20 нм, W = 20 нм) КМОП-транзисторы ведут себя как одноэлектронные квантовые точки при работе при криогенных температурах в диапазоне от -269 ° C (4 K ) до примерно -258 ° C (15 K ). Транзистор демонстрирует кулоновскую блокаду из-за прогрессивной зарядки электронов (дырок) один за другим. Количество электронов (дырок), удерживаемых в канале, определяется напряжением на затворе, начиная с заполнения нулевых электронов (дырок), и может быть установлено на 1 или несколько.

Вирусная сборка

Генно-инженерные вирусы бактериофага M13 позволяют получать биокомпозитные структуры с квантовыми точками . Ранее было показано, что генно-инженерные вирусы могут распознавать определенные поверхности полупроводников с помощью метода отбора с помощью комбинаторного фагового дисплея . Кроме того, известно, что жидкокристаллические структуры вирусов дикого типа (Fd, M13 и TMV ) можно регулировать путем регулирования концентраций раствора, ионной силы раствора и внешнего магнитного поля, приложенного к растворам. Следовательно, специфические свойства распознавания вируса можно использовать для организации неорганических нанокристаллов , формируя упорядоченные массивы в масштабе длины, определяемом образованием жидких кристаллов. Используя эту информацию, Ли и др. (2000) смогли создать самособирающиеся, высокоориентированные, самонесущие пленки из раствора фага и предшественника ZnS . Эта система позволяла им изменять как длину бактериофага, так и тип неорганического материала посредством генетической модификации и отбора.

Электрохимическая сборка

Высокоупорядоченные массивы квантовых точек также могут быть собраны с помощью электрохимических методов. Шаблон создается путем инициирования ионной реакции на границе раздела электролит-металл, которая приводит к самопроизвольной сборке наноструктур, включая квантовые точки, на металле, который затем используется в качестве маски для меза-травления этих наноструктур на выбранной подложке.

Массовое производство

Производство квантовых точек опирается на процесс, называемый высокотемпературным двойным впрыском, который был масштабирован несколькими компаниями для коммерческих приложений, требующих больших количеств (от сотен килограммов до тонн) квантовых точек. Этот воспроизводимый метод производства может применяться к широкому диапазону размеров и составов квантовых точек.

Связывание в некоторых квантовых точках без кадмия, таких как квантовые точки на основе III-V, является более ковалентным, чем в материалах II-VI, поэтому сложнее разделить зарождение и рост наночастиц с помощью высокотемпературного синтеза с двойной инжекцией. Альтернативный метод синтеза квантовых точек, процесс молекулярного затравки , обеспечивает воспроизводимый путь к производству высококачественных квантовых точек в больших объемах. В процессе используются идентичные молекулы соединения молекулярного кластера в качестве центров зарождения для роста наночастиц, что позволяет избежать необходимости высокотемпературной стадии инжекции. Рост частиц поддерживается периодическим добавлением предшественников при умеренных температурах до тех пор, пока не будет достигнут желаемый размер частиц. Процесс молекулярного посева не ограничивается производством квантовых точек без кадмия; например, этот процесс можно использовать для синтеза килограммовых партий высококачественных квантовых точек II-VI всего за несколько часов.

Другой подход к массовому производству коллоидных квантовых точек можно увидеть в переносе хорошо известной методологии горячего впрыска для синтеза в техническую систему непрерывного потока. Различия между партиями, возникающие в связи с потребностями в упомянутой методологии, можно преодолеть путем использования технических компонентов для смешивания и выращивания, а также регулирования транспортировки и температуры. Для производства полупроводниковых наночастиц на основе CdSe этот метод был исследован и адаптирован для производства килограммов в месяц. Поскольку использование технических компонентов позволяет легко заменять друг друга с точки зрения максимальной пропускной способности и размера, их можно дополнительно увеличить до десятков или даже сотен килограммов.

В 2011 году консорциум американских и голландских компаний сообщил о важной вехе в производстве квантовых точек в больших объемах, применив традиционный метод высокотемпературного двойного впрыска в проточную систему .

23 января 2013 года Dow заключила эксклюзивное лицензионное соглашение с британской компанией Nanoco на использование их метода низкотемпературной молекулярной посадки для массового производства квантовых точек без кадмия для электронных дисплеев, а 24 сентября 2014 года Dow начала работу над производственное предприятие в Южной Корее, способное производить квантовые точки в количестве, достаточном для «миллионов безкадмиевых телевизоров и других устройств, таких как планшеты». Серийное производство должно начаться в середине 2015 года. 24 марта 2015 года Dow объявила о партнерском соглашении с LG Electronics по разработке использования квантовых точек без кадмия в дисплеях.

Квантовые точки без тяжелых металлов

Во многих регионах мира в настоящее время существует ограничение или запрет на использование тяжелых металлов во многих предметах домашнего обихода, а это означает, что большинство квантовых точек на основе кадмия непригодны для использования в производстве потребительских товаров.

Для коммерческой жизнеспособности был разработан ряд ограниченных квантовых точек, не содержащих тяжелых металлов, которые демонстрируют яркое излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра и имеют оптические свойства, аналогичные оптическим свойствам квантовых точек CdSe. Среди этих материалов InP / ZnS, CuInS / ZnS, Si , Ge и С .

Пептиды исследуются как потенциальный материал для квантовых точек.

Здоровье и безопасность

Некоторые квантовые точки представляют опасность для здоровья человека и окружающей среды при определенных условиях. Примечательно, что исследования токсичности квантовых точек были сосредоточены на частицах, содержащих кадмий, и их еще предстоит продемонстрировать на животных моделях после физиологически релевантного дозирования. Исследования токсичности квантовых точек (КТ) in vitro , основанные на клеточных культурах, предполагают, что их токсичность может быть обусловлена множеством факторов, включая их физико-химические характеристики (размер, форма, состав, поверхностные функциональные группы и поверхностные заряды) и их окружение. Оценка их потенциальной токсичности является сложной, поскольку эти факторы включают такие свойства, как размер квантовых точек, заряд, концентрацию, химический состав, блокирующие лиганды, а также их окислительную, механическую и фотолитическую стабильность.

Многие исследования были сосредоточены на механизме цитотоксичности QD с использованием модельных культур клеток. Было продемонстрировано, что после воздействия ультрафиолетового излучения или окисления воздухом КТ CdSe выделяют свободные ионы кадмия, вызывая гибель клеток. Сообщалось также, что квантовые точки групп II – VI индуцируют образование активных форм кислорода после воздействия света, что, в свою очередь, может повредить клеточные компоненты, такие как белки, липиды и ДНК. Некоторые исследования также показали, что добавление оболочки из ZnS ингибирует процесс образования активных форм кислорода в квантовых точках CdSe. Другой аспект токсичности QD заключается в том, что in vivo существуют зависящие от размера внутриклеточные пути, которые концентрируют эти частицы в клеточных органеллах, недоступных для ионов металлов, что может привести к уникальным моделям цитотоксичности по сравнению с составляющими их ионами металлов. Сообщения о локализации QD в ядре клетки представляют дополнительные виды токсичности, поскольку они могут вызывать мутации ДНК, которые, в свою очередь, будут распространяться через будущее поколение клеток, вызывая заболевания.

Хотя в исследованиях in vivo с использованием животных моделей сообщалось о концентрации QD в определенных органеллах , никаких изменений в поведении животных, весе, гематологических маркерах или повреждении органов ни с помощью гистологического, ни биохимического анализа обнаружено не было. Эти результаты привели ученых к мысли, что внутриклеточная доза является наиболее важным фактором, определяющим токсичность QD. Следовательно, факторы, определяющие эндоцитоз КТ, которые определяют эффективную внутриклеточную концентрацию, такие как размер, форма и химия поверхности КТ, определяют их токсичность. Экскреция QD с мочой на животных моделях также была продемонстрирована путем инъекции радиоактивно меченных ZnS-кэпированных QD CdSe, где оболочка лиганда была помечена ^99m Tc . Хотя многие другие исследования пришли к выводу о сохранении QD на клеточном уровне, экзоцитоз QD все еще плохо изучен в литературе.

Несмотря на то, что значительные исследовательские усилия расширили понимание токсичности квантовых точек, в литературе имеются большие расхождения, и еще предстоит ответить на вопросы. Разнообразие этого класса материалов по сравнению с обычными химическими веществами делает оценку их токсичности очень сложной. Поскольку их токсичность также может быть динамической в зависимости от факторов окружающей среды, таких как уровень pH, воздействие света и тип клеток, традиционные методы оценки токсичности химических веществ, таких как LD ₅₀ , неприменимы для QD. Поэтому исследователи сосредотачиваются на внедрении новых подходов и адаптации существующих методов для включения этого уникального класса материалов. Кроме того, научное сообщество все еще изучает новые стратегии создания более безопасных квантовых точек. Недавнее новшество в этой области - открытие углеродных квантовых точек , нового поколения оптически активных наночастиц, потенциально способных заменить полупроводниковые квантовые точки , но с преимуществом гораздо меньшей токсичности.

Оптические свойства

Спектры флуоресценции квантовых точек CdTe различных размеров. Квантовые точки разного размера излучают свет разного цвета из-за квантового ограничения.

В полупроводниках поглощение света обычно приводит к тому, что электрон возбуждается из валентной зоны в зону проводимости, оставляя после себя дырку . Электрон и дырка могут связываться друг с другом, образуя экситон. Когда этот экситон рекомбинирует (т.е. электрон возвращается в основное состояние), энергия экситона может излучаться в виде света. Это называется флуоресценцией . В упрощенной модели энергия испускаемого фотона может быть понята как сумма энергии запрещенной зоны между самым высоким занятым уровнем и самым низким незанятым уровнем энергии, энергий удержания дырки и возбужденного электрона и связанной энергии экситон (электронно-дырочная пара):

Поскольку энергия ограничения зависит от размера квантовой точки, начало поглощения и испускание флуоресценции можно регулировать, изменяя размер квантовой точки во время ее синтеза. Чем больше точка, тем краснее (с меньшей энергией) начало поглощения и спектр флуоресценции . И наоборот, более мелкие точки поглощают и излучают более голубой (более энергичный) свет. Недавние статьи в « Нанотехнологиях» и других журналах начали предполагать, что форма квантовой точки также может быть фактором окраски, но пока недостаточно информации. Кроме того, было показано, что время жизни флуоресценции определяется размером квантовой точки. Более крупные точки имеют более близко расположенные энергетические уровни, на которых электронно-дырочная пара может быть захвачена. Следовательно, электронно-дырочные пары в более крупных точках живут дольше, в результате чего более крупные точки показывают более длительный срок службы.

Чтобы улучшить квантовый выход флуоресценции , квантовые точки могут быть сделаны с оболочками из полупроводникового материала с большей запрещенной зоной вокруг них. Предполагается, что это улучшение связано с ограниченным доступом электронов и дырок к путям безызлучательной поверхностной рекомбинации в некоторых случаях, но также из-за уменьшения рекомбинации Оже в других.

Приложения

Квантовые точки особенно перспективны для оптических приложений из-за их высокого коэффициента экстинкции . Они работают как одноэлектронные транзисторы и демонстрируют эффект кулоновской блокады . Квантовые точки также предлагались в качестве реализации кубитов для обработки квантовой информации и в качестве активных элементов для термоэлектриков.

Изменение размера квантовых точек привлекательно для многих потенциальных приложений. Например, более крупные квантовые точки имеют больший сдвиг спектра в сторону красного по сравнению с меньшими точками и проявляют менее выраженные квантовые свойства. И наоборот, более мелкие частицы позволяют использовать более тонкие квантовые эффекты.

Устройство, которое излучает видимый свет за счет передачи энергии от тонких слоев квантовых ям кристаллам над слоями.

Будучи нульмерными , квантовые точки имеют более высокую плотность состояний, чем структуры с более высокой размерностью. В результате они обладают превосходными транспортными и оптическими свойствами. У них есть потенциальное применение в диодных лазерах , усилителях и биологических сенсорах. Квантовые точки могут возбуждаться в локально усиленном электромагнитном поле, создаваемом наночастицами золота, что затем можно наблюдать по поверхностному плазмонному резонансу в фотолюминесцентном спектре возбуждения нанокристаллов (CdSe) ZnS. Высококачественные квантовые точки хорошо подходят для приложений оптического кодирования и мультиплексирования из-за их широких профилей возбуждения и узких / симметричных спектров излучения. Новые поколения квантовых точек обладают далеко идущим потенциалом для изучения внутриклеточных процессов на уровне отдельных молекул, получения изображений клеток с высоким разрешением, долгосрочного наблюдения in vivo за переносом клеток, нацеливания на опухоли и диагностики.

Нанокристаллы CdSe являются эффективными триплетными фотосенсибилизаторами. Лазерное возбуждение небольших наночастиц CdSe позволяет извлекать энергию возбужденного состояния из квантовых точек в объемный раствор, тем самым открывая двери для широкого спектра потенциальных приложений, таких как фотодинамическая терапия, фотоэлектрические устройства, молекулярная электроника и катализ.

Подкожный учет

В декабре 2019 года Роберт С. Лангер и его команда разработали и запатентовали методику, с помощью которой трансдермальные пластыри можно было использовать для маркировки людей невидимыми чернилами с целью подкожного хранения медицинской и другой информации . Это было преподнесено как благо для «развивающихся стран», где отсутствие инфраструктуры означает отсутствие медицинских записей. Технология, назначенная Массачусетскому технологическому институту , использует « краситель с квантовыми точками, который в данном случае доставляется вместе с вакциной с помощью пластыря с микроиглами ». Исследование «финансировалось Фондом Билла и Мелинды Гейтс и Институтом интегративных исследований рака Коха ».

Биология

В современном биологическом анализе используются различные виды органических красителей . Однако по мере развития технологий эти красители стремятся к большей гибкости. С этой целью квантовые точки быстро взяли на себя роль квантовых точек, которые превосходят традиционные органические красители по нескольким показателям, одним из наиболее очевидных из которых является яркость (благодаря высокому коэффициенту экстинкции в сочетании с сопоставимым квантовым выходом флуоресцентных красителей). ), а также их стабильность (что позволяет значительно уменьшить фотообесцвечивание ). Было подсчитано, что квантовые точки в 20 раз ярче и в 100 раз стабильнее, чем традиционные флуоресцентные репортеры. Для слежения за одной частицей нерегулярное мигание квантовых точек является незначительным недостатком. Однако были группы, которые разработали квантовые точки, которые по существу не мигают, и продемонстрировали их полезность в экспериментах по отслеживанию одиночных молекул.

Использование квантовых точек для получения высокочувствительных изображений клеток привело к значительным успехам. Улучшенная фотостабильность квантовых точек, например, позволяет получать множество последовательных изображений в фокальной плоскости, которые могут быть преобразованы в трехмерное изображение с высоким разрешением. Еще одно приложение, которое использует преимущества необычайной фотостабильности зондов с квантовыми точками, - это отслеживание в реальном времени молекул и клеток в течение продолжительных периодов времени. Антитела, стрептавидин, пептиды, ДНК , аптамеры нуклеиновых кислот или низкомолекулярные лиганды могут использоваться для нацеливания квантовых точек на определенные белки на клетках. Исследователи смогли наблюдать квантовые точки в лимфатических узлах мышей более 4 месяцев.

Квантовые точки могут иметь антибактериальные свойства, аналогичные наночастицам, и могут убивать бактерии в зависимости от дозы. Одним из механизмов, с помощью которого квантовые точки могут убивать бактерии, является нарушение функций антиоксидантной системы в клетках и подавление антиоксидантных генов. Кроме того, квантовые точки могут напрямую повреждать клеточную стенку. Было показано, что квантовые точки эффективны как против грамположительных, так и грамотрицательных бактерий.

Полупроводниковые квантовые точки также использовались для визуализации in vitro предварительно помеченных клеток. Способность к миграции изображения одноклеточного в режиме реального времени , как ожидается, будет важно несколько исследовательских областей , такие как эмбриогенез , рака метастазы , стволовые клетки терапии и лимфоциты иммунология .

Одно из применений квантовых точек в биологии - это донорные флуорофоры в резонансной передаче энергии Фёрстера , где большой коэффициент экстинкции и спектральная чистота этих флуорофоров делают их превосходящими молекулярные флуорофоры. Донор КТ и минимальное возбуждение акцептора красителя в исследованиях на основе FRET. Недавно была продемонстрирована применимость модели FRET, которая предполагает, что квантовую точку можно аппроксимировать как точечный диполь.

Использование квантовых точек для нацеливания на опухоль в условиях in vivo использует две схемы нацеливания: активное нацеливание и пассивное нацеливание. В случае активного нацеливания квантовые точки функционализируют опухолеспецифическими сайтами связывания для избирательного связывания с опухолевыми клетками. Пассивное нацеливание использует усиленное проникновение и удержание опухолевых клеток для доставки зондов с квантовыми точками. У быстрорастущих опухолевых клеток, как правило, более проницаемые мембраны, чем у здоровых клеток, что позволяет небольшим наночастицам проникать в тело клетки. Более того, у опухолевых клеток отсутствует эффективная лимфатическая дренажная система, что приводит к последующему накоплению наночастиц.

Зонды с квантовыми точками проявляют токсичность in vivo. Например, нанокристаллы CdSe очень токсичны для культивируемых клеток при УФ-освещении, поскольку частицы растворяются в процессе, известном как фотолиз , с выделением токсичных ионов кадмия в культуральную среду. Однако в отсутствие УФ-излучения квантовые точки со стабильным полимерным покрытием оказались практически нетоксичными. Инкапсуляция квантовых точек гидрогелем позволяет вводить квантовые точки в стабильный водный раствор, уменьшая возможность утечки кадмия. С другой стороны, очень мало известно о процессе выделения квантовых точек из живых организмов.

В другом потенциальном применении квантовые точки исследуются как неорганические флуорофоры для интраоперационного обнаружения опухолей с использованием флуоресцентной спектроскопии .

Доставка неповрежденных квантовых точек в цитоплазму клетки была проблемой с существующими методами. Методы на основе векторов привели к агрегации и эндосомной секвестрации квантовых точек, в то время как электропорация может повредить полупроводящие частицы и агрегировать доставленные точки в цитозоле. Посредством сжатия клеток квантовые точки могут быть эффективно доставлены без индукции агрегации, захвата материала в эндосомах или значительной потери жизнеспособности клеток. Более того, было показано, что отдельные квантовые точки, доставляемые с помощью этого подхода, можно обнаружить в цитозоле клетки, что иллюстрирует потенциал этого метода для исследований слежения за отдельными молекулами.

Фотоэлектрические устройства

Настраиваемый спектр поглощения и высокие коэффициенты экстинкции квантовых точек делают их привлекательными для технологий сбора света, таких как фотовольтаика. Квантовые точки могут повысить эффективность и снизить стоимость типичных сегодня кремниевых фотоэлектрических элементов . Согласно экспериментальному отчету 2004 года, квантовые точки селенида свинца могут производить более одного экситона из одного фотона высокой энергии в процессе умножения носителей или генерации множественных экситонов (MEG). Это выгодно отличается от сегодняшних фотоэлектрических элементов, которые могут управлять только одним экситоном на фотон высокой энергии, при этом носители высокой кинетической энергии теряют свою энергию в виде тепла. Фотогальваника на квантовых точках теоретически будет дешевле в производстве, поскольку ее можно производить с помощью простых химических реакций.

Солнечные элементы только на квантовых точках

Ароматические самоорганизующиеся монослои (SAM) (например, 4-нитробензойная кислота) могут использоваться для улучшения выравнивания полос на электродах для повышения эффективности. Этот метод обеспечил рекордную эффективность преобразования энергии (PCE) 10,7%. SAM размещается между пленочным переходом коллоидных квантовых точек ZnO-PbS (CQD) для изменения выравнивания полос с помощью дипольного момента составляющей молекулы SAM, а настройка полосы может быть изменена с помощью плотности, диполя и ориентации молекулы SAM.

Квантовая точка в гибридных солнечных элементах

Коллоидные квантовые точки также используются в гибридных неорганических / органических солнечных элементах . Эти солнечные элементы привлекательны из-за возможности недорогого производства и относительно высокой эффективности. Внедрение оксидов металлов, таких как наноматериалы ZnO, TiO2 и Nb2O5, в органические фотоэлектрические системы было коммерциализировано с использованием полной обработки рулонов. В гибридных солнечных элементах Si nanowire / PEDOT: PSS заявлен КПД преобразования энергии 13,2%.

Квантовая точка с нанопроволокой в солнечных элементах

Другое потенциальное использование включает закрытые монокристаллические нанопроволоки ZnO с квантовыми точками CdSe, погруженные в меркаптопропионовую кислоту в качестве среды для переноса дырок, чтобы получить сенсибилизированный квантовыми точками солнечный элемент. Морфология нанопроволок позволяла электронам иметь прямой путь к фотоаноду. Эта форма солнечного элемента демонстрирует внутреннюю квантовую эффективность 50–60% .

Нанопроволоки с покрытиями из квантовых точек на кремниевых нанопроводах (КНН) и углеродных квантовых точках. Использование SiNW вместо плоского кремния улучшает антифлексионные свойства Si. КНН демонстрирует эффект захвата света из-за захвата света в КНН. Такое использование SiNW в сочетании с углеродными квантовыми точками привело к солнечному элементу, который достиг 9,10% PCE.

Квантовые точки графена также были смешаны с органическими электронными материалами для повышения эффективности и снижения стоимости фотоэлектрических устройств и органических светоизлучающих диодов ( OLED ) по сравнению с листами графена. Эти квантовые точки графена были функционализированы органическими лигандами, которые испытывают фотолюминесценцию из-за поглощения UV-Vis.

Светодиоды

Несколько методов предлагаются для использования квантовых точек , чтобы улучшить существующие светоизлучающий диод (LED) конструкции, в том числе квантовых точек светодиодные (QD-LED или QLED) дисплеи и квантовой точки белого светоизлучающий диод (КТ-WLED) отображает. Поскольку квантовые точки естественным образом излучают монохроматический свет, они могут быть более эффективными, чем источники света, которые необходимо фильтровать по цвету. КТ-светодиоды могут быть изготовлены на кремниевой подложке, что позволяет интегрировать их в стандартные интегральные схемы на основе кремния или микроэлектромеханические системы .

Квантовые точки

Квантовые точки ценятся для дисплеев, потому что они излучают свет в очень специфических гауссовских распределениях . Это может привести к отображению с заметно более точными цветами.

Обычный цвет жидкокристаллический дисплей (ЖКД), как правило , с подсветкой от люминесцентных ламп (CCFLs) или обычные белые светодиоды , которые цвета фильтруют , чтобы произвести красный, зеленый и синий пикселей. В дисплеях с квантовыми точками в качестве источников света используются светодиоды синего цвета, а не белые светодиоды. Преобразующая часть излучаемого света преобразуется в чистый зеленый и красный свет соответствующими цветными квантовыми точками, размещенными перед синим светодиодом, или с использованием листа рассеивателя с квантовыми точками в оптическом стеке задней подсветки. Пустые пиксели также используются, чтобы синий светодиодный свет по-прежнему генерировал синие оттенки. Этот тип белого света в качестве подсветки ЖК-панели обеспечивает лучшую цветовую гамму при меньших затратах, чем комбинация светодиодов RGB с использованием трех светодиодов.

Другой метод, с помощью которого можно получить отображение квантовых точек, - это электролюминесцентный (EL) или электроэмиссионный метод. Это включает в себя встраивание квантовых точек в каждый отдельный пиксель. Затем они активируются и управляются с помощью приложения электрического тока. Поскольку это часто сам свет, достижимые цвета могут быть ограничены в этом методе. Электроэмиссионные телевизоры с QD-LED существуют только в лабораториях.

Способность квантовых точек точно преобразовывать и настраивать спектр делает их привлекательными для ЖК- дисплеев. Предыдущие ЖК-дисплеи могут тратить энергию на преобразование плохого красно-зеленого и насыщенного сине-желтого белого света в более сбалансированное освещение. Используя QD, на экране содержатся только цвета, необходимые для идеального изображения. В результате экран становится ярче, четче и энергоэффективнее. Первым коммерческим применением квантовых точек стала серия плоских телевизоров Sony XBR X900A, выпущенная в 2013 году.

В июне 2006 года компания QD Vision объявила о техническом успехе в создании экспериментального дисплея с квантовыми точками, демонстрирующего яркое излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. QD-LED, интегрированный в наконечник сканирующей микроскопии, использовался для демонстрации изображений с помощью флюоресцентной сканирующей оптической микроскопии в ближнем поле ( NSOM ).

Фотоприемные устройства

Фотодетекторы на квантовых точках (QDP) могут быть изготовлены либо путем обработки раствора, либо из обычных монокристаллических полупроводников. Обычные монокристаллические полупроводниковые QDP не могут быть интегрированы с гибкой органической электроникой из-за несовместимости условий их выращивания с технологическими окнами, необходимыми для органических полупроводников . С другой стороны, QDP, обработанные на основе решения, могут быть легко интегрированы с почти бесконечным разнообразием подложек, а также подвергнуты постобработке поверх других интегральных схем. Такие коллоидные QDPs имеют потенциальное применение в visible- и инфракрасных -light камер , машинного зрения, промышленной инспекции, спектроскопии и флуоресцентной биомедицинских изображений.

Фотокатализаторы

Квантовые точки также функционируют как фотокатализаторы для химического преобразования воды в водород под воздействием света, как путь к солнечному топливу . При фотокатализе пары электронов и дырок, образующиеся в точке при возбуждении запрещенной зоны, вызывают окислительно-восстановительные реакции в окружающей жидкости. Как правило, фотокаталитическая активность точек зависит от размера частицы и степени ее квантового ограничения . Это связано с тем, что запрещенная зона определяет химическую энергию, которая хранится в точке в возбужденном состоянии . Препятствием для использования квантовых точек в фотокатализе является наличие поверхностно-активных веществ на поверхности точек. Эти поверхностно -активные вещества (или лиганды ) мешают химической реакционной способности точек, замедляя перенос массы и перенос электрона процессов. Кроме того, квантовые точки из халькогенидов металлов химически нестабильны в окислительных условиях и подвергаются реакциям фотокоррозии.

Теория

Квантовые точки теоретически описываются как точка или нульмерная (0D) сущность. Большинство их свойств зависит от размеров, формы и материалов, из которых изготовлены квантовые точки. Обычно КТ обладают термодинамическими свойствами, отличными от тех объемных материалов, из которых они сделаны. Одним из таких эффектов является снижение температуры плавления . Оптические свойства сферических металлических КТ хорошо описываются теорией рассеяния Ми .

Квантовое ограничение в полупроводниках

Волновые функции трехмерных ограниченных электронов в квантовой точке. Здесь показаны квантовые точки прямоугольной и треугольной формы. Энергетические состояния в прямоугольных точках больше s-типа и p-типа . Однако в треугольной точке волновые функции смешаны из-за симметрии удержания. (Щелкните для анимации)

В полупроводниковом кристаллите , размер которого меньше, чем в два раза больше его экситонного боровского радиуса , экситоны сжимаются, что приводит к квантовому ограничению . Затем уровни энергии можно предсказать, используя модель частицы в ящике, в которой энергии состояний зависят от длины ящика. Сравнивая размер квантовой точки с радиусом Бора волновых функций электрона и дырки, можно определить 3 режима. «Режим сильного ограничения» определяется как радиус квантовых точек, меньший, чем радиус Бора как электрона, так и дырки, «слабое ограничение» дается, когда квантовая точка больше обоих. Для полупроводников, в которых радиусы электронов и дырок заметно различаются, существует «режим промежуточного ограничения», когда радиус квантовой точки больше боровского радиуса одного носителя заряда (обычно дырки), но не другого носителя заряда.

Расщепление уровней энергии малых квантовых точек из-за эффекта размерного квантования. Горизонтальная ось - это радиус или размер квантовых точек, а _b * - радиус экситона Бора.

Энергия запрещенной зоны

В режиме сильного удержания ширина запрещенной зоны может уменьшаться по мере расщепления энергетических уровней. Боровский радиус экситона можно выразить как:

{\ displaystyle a _ {\ rm {B}} ^ {*} = \ varepsilon _ {\ rm {r}} \ left ({\ frac {m} {\ mu}} \ right) a _ {\ rm {B} }}

где a _B = 0,053 нм - радиус Бора, m - масса, μ - приведенная масса, а ε _r - зависящая от размера диэлектрическая проницаемость ( относительная диэлектрическая проницаемость ). Это приводит к увеличению полной энергии излучения (сумма уровней энергии в меньших запрещенных зонах в режиме сильного ограничения больше, чем уровни энергии в запрещенных зонах исходных уровней в режиме слабого ограничения) и излучения на разных длинах волн. Если распределение квантовых точек по размерам недостаточно пиковое, свертка нескольких длин волн излучения наблюдается в виде непрерывных спектров.

Энергия удержания

Экситонную сущность можно смоделировать с помощью частицы в ящике. Электрон и дырку можно рассматривать как водород в модели Бора, где ядро водорода заменено дыркой с положительным зарядом и отрицательной массой электрона. Тогда уровни энергии экситона можно представить как решение частицы в ящике на основном уровне (n = 1) с заменой массы на приведенную массу . Таким образом, изменяя размер квантовой точки, можно управлять энергией удержания экситона.

Связанная энергия экситона

Между отрицательно заряженным электроном и положительно заряженной дыркой существует кулоновское притяжение. Отрицательная энергия, участвующая в притяжении, пропорциональна энергии Ридберга и обратно пропорциональна квадрату зависящей от размера диэлектрической проницаемости полупроводника. Когда размер кристалла полупроводника меньше, чем радиус экситона Бора, кулоновское взаимодействие должно быть изменено, чтобы соответствовать ситуации.

Следовательно, сумму этих энергий можно представить в виде:

{\ displaystyle {\ begin {align} E _ {\ textrm {confinement}} & = {\ frac {\ hbar ^ {2} \ pi ^ {2}} {2a ^ {2}}} \ left ({\ frac {1} {m _ {\ rm {e}}}} + {\ frac {1} {m_ {h}}} \ right) = {\ frac {\ hbar ^ {2} \ pi ^ {2}} { 2 \ mu a ^ {2}}} \\ E _ {\ textrm {exciton}} & = - {\ frac {1} {\ epsilon _ {\ rm {r}} ^ {2}}} {\ frac { \ mu} {m _ {\ rm {e}}}} R_ {y} = - R_ {y} ^ {*} \\ E & = E _ {\ textrm {bandgap}} + E _ {\ textrm {confinement}} + E _ {\ textrm {exciton}} \\ & = E _ {\ textrm {bandgap}} + {\ frac {\ hbar ^ {2} \ pi ^ {2}} {2 \ mu a ^ {2}}} - R_ {y} ^ {*} \ end {выровнено}}}

где μ - приведенная масса, a - радиус квантовой точки, m _e - масса свободного электрона, m _h - масса дырки, а ε _r - диэлектрическая проницаемость, зависящая от размера.

Хотя приведенные выше уравнения были получены с использованием упрощающих предположений, они подразумевают, что электронные переходы квантовых точек будут зависеть от их размера. Эти эффекты квантового ограничения проявляются только ниже критического размера. Более крупные частицы не проявляют этого эффекта. Этот эффект квантового ограничения на квантовые точки неоднократно подтверждался экспериментально и является ключевой особенностью многих возникающих электронных структур.

Кулоновское взаимодействие между носителями ограниченного также может быть исследовано численными методами , когда результаты без ограничений по асимптотическим приближениям преследуются.

Помимо ограничения во всех трех измерениях (т. Е. Квантовой точки), другие полупроводники с квантовым ограничением включают:

Квантовые проволоки , которые ограничивают электроны или дырки в двух пространственных измерениях и допускают свободное распространение в третьем.
Квантовые ямы , которые ограничивают электроны или дырки в одном измерении и допускают свободное распространение в двух измерениях.

Модели

Существует множество теоретических основ для моделирования оптических, электронных и структурных свойств квантовых точек. В общих чертах их можно разделить на квантово-механические, полуклассические и классические.

Квантовая механика

Квантово-механические модели и симуляции квантовых точек часто включают взаимодействие электронов с псевдопотенциальной или случайной матрицей .

Полуклассический

Квазиклассические модели квантовых точек часто включают химический потенциал . Например, термодинамический химический потенциал системы N- частиц определяется выражением

{\ Displaystyle \ му (N) = Е (N) -E (N-1)}

чьи энергетические члены могут быть получены как решения уравнения Шредингера. Определение емкости,

{\ Displaystyle {1 \ над C} \ Equiv {\ Delta \, V \ over \ Delta \, Q}}

,

с разностью потенциалов

{\ Displaystyle \ Delta \, V = {\ Delta \, \ mu \, \ over e} = {\ mu (N + \ Delta \, N) - \ mu (N) \ over e}}

может быть нанесен на квантовую точку с добавлением или удалением отдельных электронов,

{\ Displaystyle \ Delta \, N = 1}

и .

{\ displaystyle \ Delta \, Q = e}

потом

{\ Displaystyle С (N) = {е ^ {2} \ над \ му (N + 1) - \ му (N)} = {е ^ {2} \ над I (N) -A (N)}}

- квантовая емкость квантовой точки, где мы обозначили $I (N)$ потенциал ионизации и $A (N)$ сродство к электрону N -частичной системы.

Классическая механика

Классические модели электростатических свойств электронов в квантовых точках аналогичны по своей природе задаче Томсона об оптимальном распределении электронов на единичной сфере.

Классическая электростатическая обработка электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками, аналогична их обработке в модели атома Томсона или сливового пудинга .

Классическая обработка как двумерных, так и трехмерных квантовых точек демонстрирует поведение заполнения электронной оболочки . Для двумерных квантовых точек была описана « периодическая таблица классических искусственных атомов». Кроме того, сообщалось о нескольких связях между трехмерной проблемой Томсона и паттернами заполнения электронной оболочки, обнаруженными в естественных атомах, встречающихся в периодической таблице. Эта последняя работа возникла в результате классического электростатического моделирования электронов в сферической квантовой точке, представленной идеальной диэлектрической сферой.

История

Термин квантовая точка был придуман в 1986 году. Впервые они были синтезированы в стеклянной матрице Алексеем Екимовым в 1981 году и в коллоидной суспензии Луи Брусом в 1983 году. Впервые они были предложены Александром Эфросом в 1982 году.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Делеру, К. и Ланну, М. (2004). Наноструктуры: теория и моделирование . Springer. п. 47 . ISBN 978-3-540-20694-1.</ref> Методы создания полупроводниковых структур с квантовыми размерами (квантовые проволоки, ямы и точки, выращенные с помощью передовых эпитаксиальных методов), нанокристаллов с помощью газофазного, жидкофазного и твердофазного подходов.
Норрис, ди-джей (1995). "Измерение и определение оптического спектра, зависящего от размера в квантовых точках селенида кадмия (CdSe), кандидатская диссертация, Массачусетский технологический институт". ЛВП : 1721,1 / 11129 . Фотолюминесценция КТ в зависимости от диаметра частиц.

Languages

In other projects

Квантовая точка - Quantum dot

СОДЕРЖАНИЕ