История
В 1937 году немецко-британский ученый Герберт Фрёлих теоретически рассчитал, что свойства вещества в наночастицах — например, способность отражать и поглощать свет — будут зависеть от размера этих частиц.
В далеком 1981 годы два советских ученых: Екимов и Онущенко, работавшие тогда в Ленинграде, в Государственном оптическом институте имени Вавилова, занимались исследованиями получения микрокристаллов полупроводников в стеклянных матрицах. Тогда же Екимов и Онущенко опубликовали статью «Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников», где отметили влияние размера микрокристалла на цвет его свечения. Впоследствии Екимов стал главным научным сотрудником компании Nanocrystals Technology Inc. (США), а фамилия Онущенко куда-то исчезла.
Независимо от Екимова, профессор Колумбийского университета (США) Луис Брюс работал совсем в другой области - области органической фотохимии и исследовал фотохимические превращения, катализируемые коллоидным раствором наночастиц сульфида кадмия CdS. И он обнаружил, что цвет излучения наночастиц, определяется их размерами.
Научные достижения Екимова и Брюса так бы и остались в ряду тысяч и тысяч других исследований, если бы не появился третий участник - 62-летний профессор Массачусетского технологического института (США) Муни Бавенди, который смог в 1993 году «вырастить» коллоидные квантовые точки (КТ) высокого качества, имеющие необходимые свойства для практического использования. В результате этих работ квантовые точки любого необходимого размера можно было получать буквально в одном сосуде. Столь же неожиданно просто решилась и проблема пассивации поверхности наночастиц. И фактически весь процесс получения квантовых точек оказалось возможным проводить буквально в одном реакционном сосуде, контролируя температурный режим процесса. Этот метод открыл дорогу крупнотоннажному синтезу квантовых точек.
Да, нобелевский комитет долго думал, прежде чем вручить эту премию. Даже после возможности получения КТ методом Бавенди тоннами, комитет думал еще 20 лет, наверное осознавая значимость открытия, хотя использование КТ началось уже в 90-х годах.
Теория
Теория. На этом можно поставить точку. Теории нет. Есть ряд более или менее правдоподобных гипотез. Впрочем, нам не мешает использовать электрический ток почти 200 лет, не имея окончательной теории. Так и в этом случае, отсутствие теории не мешает нам использовать квантовые точки в широком спектре применений. Специалисты говорят о большом будущем КТ в сфере дисплеев, гибкой электроники, солнечных батарей, квантового шифрования, биологии, медицине, химии.
В 90% научно-популярных статей присутствуют с небольшими вариантами следующие картинки:
А вот околонаучное описание КТ (из большой Российской энциклопедии): "Ква́нтовая то́чка, квантовая система, движение электронов в которой ограничено в трёх направлениях. Энергетический спектр квантовых точек дискретный, аналогично спектру атома. В связи с этим квантовые точки иногда называют искусственными атомами, хотя они состоят из тысяч или даже сотен тысяч атомов."
Размер имеет значение
Среди множества удивительных и полезных свойств КТ отметим именно люминесценцию. В нобелевской лекции приведена следующая картинка, показывающая зависимость излучаемого цвета от размера КТ.
Размеры КТ при этом меняются от 2 до 10 нм. Наверное, под электронной волной здесь понимается волна де Бройля, с тем же порядком размеров.
Таким образом, люминофоры из квантовых точек представляют мечту разработчика (почти философский камень алхимика) - возможность управления цветом, меняя только размер КТ, не меняя ни состава, ни иных свойств КТ. А это означает, что люминофоры разного свечения будут вести себя одинаково при изменении внешних условий. Это чрезвычайно важно и отличает источники света с КТ-люминофорами от всех других источников. На рисунке показаны спектры КТ трех разных размеров, с цветами RGB пикселя.
Следует еще отметить возможность подбора ширины спектра КТ путем сепарации КТ по размеру.
Уже сегодня выпускаются светодиоды OSCONIQ S 3030 QD на квантовых точках от компании OSRAM Opto Semiconductors. В этих светодиодах используется светодиодный чип с синим спектром излучения и смесь КТ с зеленым и красным спектрами излучения в качестве фотолюминофора. Можно надеяться, что недалек тот день, когда по такой технологии будут выпускаться RGB светодиоды, как это описано в статье "Идеальный светодиодный пиксель"