Увы — одним постом тут не отделаешься.
Тема была моим главным научным направлением в университете, поэтому я решил подробно её раскрыть для вас. На самом деле, для полного понимания потребуется знание коллоидной химии, физики и химии твёрдого тела, органической химии, кристаллохимии, а также понимание, что такое полупроводники и квантовая физика… Троеточие здесь не случайно. Тема сейчас довольно хорошо изучена, и её внедрение идёт почти во всех естественно‑научных дисциплинах, включая медицину. Кроме перечисленного, специалисту нужно изучать и смежные области. Я проработал в этой тематике почти 10 лет, поэтому постараюсь максимально лаконично объяснить, что это такое.
Первое – нужно понимать, что такое полупроводник. Тот, кто изучал элементарную химию, знает: в каждом атоме есть электроны, занимающие строго определённые уровни энергии (можно ещё упомянуть магнитное и спиновое квантовые числа, но это лишнее). Когда один атом встречается с другим, попарное взаимодействие их электронов и ядер приводит к расщеплению электронных орбиталей и появлению так называемых связывающих («bonding») и разрыхляющих («antibonding») орбиталей.
На рисунке выше видно, что происходит, если таких атомов становится больше — их орбитали начинают заполнять целыми блоками, которые называют зонами. В полупроводниках зоны расположены так, что в нижней зоне электроны есть, а в верхней — нет. Нижнюю называют валентной зоной (Valence band), верхнюю — зоной проводимости (Conduction band). Между ними есть небольшой энергетический разрыв; при подаче энергии извне электрон из валентной зоны может перескочить в зону проводимости. Тогда в полупроводнике возникает перенос заряда.
Квантовые точки — это фрагменты полупроводника, маленькие нанокристаллы, содержащие от порядка тысячи до десятков тысяч атомов — это относительно немного. Из‑за малого числа атомов непрерывные зоны (валентная и зона проводимости) не формируются.
В квантовых точках они дискретны (квантованы) и состоят из отдельных энергетических уровней. Электрон по природе любит свободу. Здесь же его заперли в маленьком объёме — объёме квантовой точки. В квантовой физике такие ограничения обычно описывают приближением «сферической квантовой ямы». Поэтому говорят, что в квантовых точках проявляется квантово‑размерный эффект — ограничение носителя заряда по всем трём пространственным измерениям.
Пока на этом остановлюсь — слишком много тоже плохо. Позже напишу про люминесценцию и её зависимость от размера квантовых точек.
Всем спасибо за внимание! Ждите продолжения.