И какую роль они могут сыграть в революции технологий
Квантовая механика давно перестала быть только теоретической наукой: в этой области проводятся эксперименты, создаются особые структуры наноразмеров, а с их помощью радикально меняется мир технологий. О том, как они устроены, ПостНауке рассказал доктор физико-математических наук, профессор и заведующий лабораторией физики нано- и мезосистем Института прикладных проблем физики НАН Армении Айк Саркисян.
Появлению квантовых пленок, проволок, точек и других структур предшествовал научный прогресс первой половины ХХ века. С одной стороны, были сформулированы фундаментальные теории в области квантовой физики, а затем и механики. В 1947 году в лабораториях Белла (Bell labs) был изобретен транзистор, что повлекло революцию в области электроники и полупроводников. Эти прорывы дали мощный толчок для новых исследований в области полупроводниковых материалов и устройств. В середине 1960-х годов в научной периодике выходят статьи, в которых говорится о так называемых полупроводниковых в квантовых пленках — фрагментах полупроводника или проводника, толщина которых определяется нановеличинами (10-9 метров). В работах было показано, что при достижении таких размеров материал меняет свои физические свойства и характеристики. И эти изменения объясняются появлением квантовых эффектов. После возникновения квантовых пленок были разработаны и первые квантовые проволоки, и, в свою очередь, из квантовых проволок были получены квантовые точки.
Квантовые точки являются уникальными системами, в которых энергетический спектр частиц полностью дискретный, а не непрерывный. Последнее обстоятельство характерно для атомных систем, поэтому не случайно, что квантовые точки часто называют «искусственными атомами». Впервые о реализации квантовых точек было сообщено в работах Алексея Екимова и Алексея Онущенко в 1981 году. Авторами были выращены наноразмерные кристаллы из CuCl, в которых было обнаружено удивительное частотное поведение так называемого коэффициента оптического поглощения, обусловленное специфическим, дискретным характером энергетического спектра носителей заряда. Теоретическое обоснование такого поведения коэффициента поглощения было дано в 1982 году братьями Алексеем и Александром Эфросами на основе модели сферической квантовой ямы с непроницаемыми стенками. Можно сказать, что физика квантовых точек ведет свое начало с этих пионерских работ.
Причина того, что энергия частицы в квантовых точках становится полностью дискретной, заключается в том, что ее движение в такой системе ограничено во всех трех направлениях. При этом локализация частицы происходит на дистанциях, соразмерных с эффективной длиной ее дебройлевской волны, в результате чего ярким образом проявляются волновые свойства квантовой частицы. Именно это и приводит к дискретности энергетического спектра как электронов, так и дырок в полупроводниковых квантовых точках. Так как движение носителей заряда ограничено во всех трех направлениях, квантовые точки принято называть «нульмерными структурами». Важнейшим свойством квантовых точек является сильная корреляция между характером энергетического спектра частицы, локализованной в ней, и геометрической формой изучаемого образца. То есть многие характерные свойства квантовых точек продиктованы именно их геометрической спецификой. Для каждой геометрии возникает индивидуальная картина заполнения электронных оболочек, поэтому для каждого искусственного атома как бы создается своя «таблица Менделеева». При этом если для сферических квантовых точек характер заполнения электронных оболочек может быть близким к реальным атомам, то, например, для пирамидальной или конической квантовых точек может возникнуть иная картина. Таким образом, физическими свойствами «искусственных атомов» можно управлять, меняя их геометрию, а также размеры, адаптируя эти системы под конкретные прикладные задачи.
На сегодняшний день существуют различные методы выращивания квантовых точек: молекулярно-лучевая эпитаксия, жидкофазная эпитаксия, метод химического насаждения, коллоидный синтез и другие. Благодаря этим методам на сегодняшний день реализованы сферические, цилиндрические, линзообразные, пирамидальные, конические, кольцеобразные, сферические слоистые и т. д. квантовые точки. Такая яркая палитра геометрических форм позволяет использовать их в различных полупроводниковых приборах и рассматривать ее как перспективного кандидата на роль функциональной базы для полупроводниковых приборов нового поколения.
Будучи миниатюрными излучателями, квантовые точки уверенно занимают свое место на рынке телевизионных экранов. Подобного рода коммерческие продукты уже рекламирует компания SAMSUNG. С другой стороны, квантовые точки могут быть использованы в светодиодах, такие приборы называют Quantum Dot Light Emitting Diode (QDLED). Они обладают очень высоким коэффициентом полезного действия (до 90%) и огромной надежностью (до 75 000 часов). Квантовые точки могут быть использованы для широкого частотного диапазона в качестве активной среды лазеров, на их основе можно сконструировать солнечные элементы высокой эффективности, с помощью квантовых точек также реализуют одноэлектронные транзисторы. Наконец, в 2020 году журнал Nature сообщил о важных результатах нидерландских физиков по созданию высокоэффективных квантовых битов на основе квантовых точек.
Не случайно за открытие квантовых точек российские и американские ученые Алексей Екимов, Луис Брюс и Мунги Бавенди были удостоены Нобелевской премии по химии за 2023 год.