До недавнего времени широкое промышленное применение квантовых точек оставалось теорией, но в последние годы ситуация поменялась: коммерческий рынок продукции с использованием этих наночастиц — как экспериментальных образцов, так и массовых изделий — стремительно растет, а ученые открывают всё новые и новые практические приложения КТ-технологии.


О том, что собой представляют квантовые точки, и в каких областях возможно их применение, рассказывает наш эксперт — заведующий лабораторией неравновесных полупроводниковых систем Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН член-корреспондент РАН Анатолий Васильевич Двуреченский.

 
Что такое квантовая точка?
 
Квантовыми точками (КТ) называют частицы с характерными размерами в области наномасштаба — меньше 100 нанометров — во всех трех измерениях, которые содержат электроны проводимости. 
 
При таких размерах квантовая точка уподобляется свойствами атому, ее так часто и называют — искусственный атом. Как известно, в квантовой механике наряду с массой частице присваивается некая длина волны, связанная с ее энергией. В этом проявляется корпускулярно-волновой дуализм. Когда длина волны становится сравнимой с характерными размерами ограничивающего такую частицу пространства, энергетические уровни делаются дискретными, что мы и наблюдаем в атомах и квантовых точках. Благодаря успехам технологии можно получать КТ различного размера, изменяя энергетический спектр. Это дает широкие возможности при формировании наноструктур, в зависимости от поставленных задач.
 

Первооткрывателями нанокристаллических полупроводниковых квантовых точек, выполнившими пионерские исследования их электронных и оптических свойств, были наши соотечественники: A.И. Екимов и A.A. Онущенко. В 1981 году они предложили и реализовали первые КТ — микрокристаллы соединений А2B6, сформированные в стеклянной матрице.

 
Другое не менее важное свойство квантовой точки связано с проявлением дискретности заряда при протекании электрического тока через замкнутую цепь, включающую КТ. При уменьшении размеров квантовой точки увеличивается энергия, необходимая для переноса на нее единичного заряда (вследствие уменьшения емкости КТ пропорционально ее характерному размеру). Это приводит к явлению осцилляции, то есть колебания тока при протекании через КТ, период которых определяется переносом единичного заряда в квантовой точке, что открывает путь к управлению током с точностью до отдельного электрона. Сегодня подобные исследования составляют отдельное направление — одноэлектронику.
 
Как сделать квантовую точку?
 
Квантовые точки можно получать двумя методами: с помощью коллоидного химического синтеза и эпитаксиальных технологий. Оба способа дают широкие возможности как в получении КТ на основе различных полупроводниковых материалов, так и КТ с различной геометрией. 
 
Коллоидные КТ представляют собой полупроводниковые нанокристаллы чаще всего сферической (иногда — эллиптической или более сложной) формы, которые покрывает монослой стабилизатора из органических молекул.
 
Эпитаксиальные КТ формируются в два этапа. На первом происходит зарождение и последующий рост ансамбля самоорганизующихся при гетероэпитаксии нанокристаллов (чаще всего пирамидальной формы). На втором — их заращивание материалом подложки в условиях роста кристаллической структуры. В результате нанокристаллы — квантовые точки оказываются встроенными в кристаллическую матрицу подложки и находятся в поле упругих деформаций.
 
Наиболее часто используются такие полупроводниковые материалы, как: InAs (арсенид индия), InSb (антимонид индия), PbSe (селенид свинца), PbS (сульфид свинца), InP, ZnSe (фосфид индия — селенид цинка), ZnTe, CdS (теллурид цинка — сульфид кадмия), CdSe (селенид кадмия), ZnS, HgTe (сульфид цинка — теллурид ртути), HgSe (селенид ртути), ZnO (оксид цинка), TiO2 (оксид титана).
 
Достоинства каждого метода — более простого химического синтеза коллоидных и достаточно сложного и дорогостоящего метода роста эпитаксиальных КТ — находят применение в решении различных задач полупроводниковой электроники.
 
Где можно применить КТ?
 
Зависимость энергетического спектра от размера наночастиц дает огромный потенциал для практического применения КТ: в оптоэлектронных системах, таких как светоизлучающие диоды и плоские светоизлучающие панели, лазеры, ячейки солнечных батарей и фотоэлектрических преобразователей, фотоприемники, биологические маркеры — везде, где требуются варьируемые, перестраиваемые по длине волны оптические свойства.
 
Наиболее масштабно, с большим объемом продукции (видеомониторы различного назначения и телевизионные системы) внедряет коллоидные квантовые точки фирма Samsung. В качестве первого шага в таких системах традиционные люминофоры заменили коллоидными квантовыми точками, превосходящими предшественников по яркости флуоресценции и фотостабильности.
 

На сайте Samsung уже сейчас можно приобрести телевизоры серии QLED. «Революционная технология квантовых точек, используемая в телевизорах QLED, преобразует свет в поразительно насыщенные цвета», — утверждает производитель и гарантирует покупателю 100-процентный цветовой объем, четкий контраст в любое время суток, долгий срок службы и защиту от выгорания. Правда, стоит это удовольствие недешево: от 250 000 до 500 000 рублей. Цена, скорее всего, упадет после начала массового производства в Китае для потребителей с более скромным доходом. 

Эпитаксиальные же технологии являются базовыми для развития кремниевой полупроводниковой электроники, используемой в информационно-вычислительных и управляющих системах, системах связи, цифровом телевидении, силовой электронике.

 
Основной тренд развития кремниевой микроэлектроники связан с постоянным (каждые два года) обновлением технологии создания микросхем (так называемый закон Мура), при котором происходит уменьшение характерного размера входящих в них элементов (транзисторов). Это необходимо для увеличения основных важных для потребителя параметров: быстродействия (рабочей частоты) и объема памяти.
 
При таком развитии электроники количество транзисторов в микросхеме увеличилось к настоящему времени до нескольких миллиардов, и остро встала проблема ограничения быстродействия микросхем из-за сопротивления металлической связи входящих в нее элементов: длина металлических межсоединений между транзисторами возросла до десятков километров (если умозрительно выложить их в один ряд). 
 
Решение возникшей проблемы связывается в настоящее время с заменой металлической связи на оптическую, для которой необходимы излучатели, фотоприемники, модуляторы, разветвители и другие оптические элементы. Однако у кремния ограниченные возможности в части оптических свойств, поэтому для расширения их спектра ученые интегрируют Si с другими материалами.
 
Наиболее привлекательным является подход, основанный на гетероэпитаксии различных материалов на кремнии. Спектр используемых при этом материалов достаточно широк, начиная от элементарных полупроводников (германий и углерод), полупроводниковых соединений (арсениды галлия, индия и алюминия, нитриды галлия и алюминия, теллуриды кадмия, ртути, свинца и олова) и завершая твердыми растворами (двойными, тройными и четверными) на основе полупроводниковых материалов.
 

Коллоидные КТ можно применять и в солнечных батареях в качестве преобразователя солнечной энергии в постоянный электрический ток. Использование квантовых точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться эффективного поглощения сразу нескольких различных частей спектра солнечного излучения.

 
Также КТ — один из главных кандидатов для представления кубитов в квантовых вычислениях. Интерес к квантовым компьютерам обусловлен как видимыми в недалеком будущем пределами возможностей современных компьютеров, так и совершенно иными принципами работы, основанными на быстрой параллельной обработке информации. Разработка различных практических подходов к созданию квантового компьютера вызывает повышенный интерес у мирового научного сообщества. Возможности создания логических элементов на основе КТ для квантовых вычислений просматриваются только для эпитаксиальных технологий: так, ученые ИФП СО РАН предложили и реализовали метод проведения однокубитовых и двухкубитовых операций в системе двух обменно-связанных электронов, опираясь на спиновые свойства КТ (эти результаты специалисты представили на прошедшей в Новосибирске международной конференции «Спиновая физика, спиновая химия, спиновая технология»). 
 
Что у нас?
 
Ученые из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН провели исследования гетероструктур Ge/Si с КТ, которые позволили им обнаружить эффекты усиления люминесценции/поглощения излучения в ансамбле КТ при управлении полем упругих деформаций (то есть деформаций, исчезающих после прекращения действий на тело внешних сил, при этом тело принимает первоначальные размеры и форму. — Прим. ред.). Наиболее яркий эффект усиления поглощения излучения был достигнут при использовании явления плазмонного резонанса: это более чем на порядок повысило чувствительность ИК-фотоприемников.
 

Плазмонный резонанс — это возбуждение поверхностного плазмона (квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа) на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной. Явление поверхностного плазмонного резонанса используют при создании химических и биосенсоров: контактируя с различными биообъектами, например вирусами, ДНК, антителами, плазмонные эффекты более чем на порядок увеличивают интенсивность сигналов флуоресценции, а значит, увеличивается и возможность обнаружить, идентифицировать и диагностировать эти биологические объекты.

 
В других материалах безизлучательный перенос энергии через состояния локализованного плазмона ученые обнаружили в ансамбле квантовых точек на основе InAs/GaAs (арсенида индия и галлия). Вследствие сильного экситон-плазмонного взаимодействия в гибридных структурах с КТ InAs/AlGaAs наблюдалось увеличение сигнала фотолюминесценции. 
 
На основе КТ InAs/GaAs в ИФП СО РАН разработаны однофотонные излучатели, составляющие основу линий связи, способных обеспечить полную секретность передачи данных. Разработки на основе КТ Ge/Si высокоэффективных фотоприемников и излучателей света ИК-диапазона, оптических модуляторов, полевых транзисторов, а также пассивных элементов наносхем связываются с развитием технологий кремниевой нанофотоники для будущих систем передачи данных. 
 
 

Источники

Наночастицы с огромным потенциалом
Наука в Сибири (sbras.info), 01/11/2018

Похожие новости

  • 01/03/2018

    Исследования группы российских ученых помогут при изучении новых полимерных материалов

    ​Ученые из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и  Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН), подведомственных ФАНО России, совместно с коллегами из Российского университета дружбы народов (РУДН) провели серию экспериментов по исследованию термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов (ТППП).
    576
  • 22/08/2018

    Учеными впервые запечатлены флуктуации при квантовом фазовом переходе

    Физики впервые смогли напрямую зафиксировать локальную динамику системы, которая совершает квантовый фазовый переход, — аналог таких процессов, как конденсация и кристаллизация. В результате ученые пронаблюдали квантовый аналог пузырей пара, которые появляются в воде во время кипения.
    335
  • 28/12/2016

    Издательство Elsevier опубликовало книгу новосибирских учёных

    В издательстве Elsevier вышла книга, посвященная полупроводниковым структурам в области физики. В создании сборника приняли участие сибирские ученые Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, а также их коллеги из России и стран Европы, Америки, юго-восточной Азии.
    1062
  • 29/08/2018

    В Новосибирске обсудили перспективы развития технологической кооперации науки и производства

    ​Заседание Совета главных инженеров предприятий Сибирского федерального округа на VI Международном форуме и выставке технологического развития "Технопром-2018" было посвящено перспективам развития технологической кооперации науки и производства.
    300
  • 22/12/2017

    Новосибирские физики сконструируют для лунной базы солнечные батареи

    ​Освоение других планет - давняя мечта человечества. Но ее невозможно реализовать, не решив энергетическую проблему. Новосибирские физики предложили способ усовершенствовать солнечные батареи для работы в космосе.
    559
  • 25/07/2016

    Новосибирские учёные разрабатывают лазеры в зелёном диапазоне

    ​Сотрудники Института физики полупроводников СО РАН и лаборатории молекулярной фотоники НГУ занимаются одним из самых актуальных на сегодня направлений в области лазерных технологий — созданием зелёных светодиодов и лазерных диодов (за синие светодиоды в 2014 году ученые из Японии и США получили Нобелевскую премию).
    1302
  • 30/08/2016

    В Новосибирске создали быструю флешку на основе мультиграфена

    Согласно результатам, полученным учеными из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, флеш-память с использованием мультиграфена по быстродействию и времени хранения информации может превосходить аналоги, основанные на других материалах.
    1498
  • 02/02/2018

    Алексей Шулунов: радиофотоника - одно из важнейших направлений электроники

    ​До второго десятилетия нынешнего века в промышленности планеты прошли и ныне проводятся три направления развитии - пара, электрона, атома. "В настоящее время в мире идет переход на четвертый уровень, основывающийся на технологиях фотона, - отметил известный руководитель отечественной оборонной промышленности, руководитель рабочей группы № 19 Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при правительстве РФ, академик МАИ Алексей Шулунов, - эти технологии используют свойства фотонов, частиц, не имеющих массы покоя и заряда, что позволяет преодолеть принципиальные физические ограничения "классической" электроники.
    1599
  • 22/05/2015

    Электрон похудел

    В новосибирском Академгородке получен уникальный материалСАМЫЙ обычный, известный из школьного курса физики электрон преподнес сюрприз: он вдруг потерял массу. Точнее, он движется так, словно ее нет.
    1608
  • 05/12/2018

    Автоматика для цехов и проспектов

    ​В Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН прошло совещание по вопросам внедрения разработок института в реальном секторе экономики. Организатором мероприятия выступил департамент промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска.
    208