Цикл постов о квантовых точках (Quantum dots).
Ранее мы выяснили что такое полупроводник, как формируются в нем валентная зона, запрещенная зона, а также зона проводимости. Также мы рассмотрели процесс люминесценции - формирования экситона и его исчезновение в результате рекомбинации электрона и дырки. Об этом можно прочитать здесь:
https://dzen.ru/a/aUJO4_YBgkgkERR2
https://dzen.ru/a/aUu-P2CFRi4MKU89
Сегодня мы потихоньку отойдем от объемного полупроводника (большого объекта) в пользу наночастиц – квантовых точек. Как уже упоминалось ранее, процесс формирования сплошных зон неизбежно проходит этап существования дискретных электронных состояний (квантование). В квантовых точках как раз отсутствуют сплошные зоны, и типичная для квантовых точек электронная конфигурация представлена на рис. 1.
При этом вместо валентной зоны и зоны проводимости уже имеются, так называемые, дырочные и электронные уровни. Почему они так называются можно понять, если вспомнить процесс возбуждения электрона в люминесценции. При этом никто не мешает осуществить тот же самый (что и для объёмных полупроводников) процесс возбуждения электрона, появления экситона с дальнейшей рекомбинацией. Разница тут состоит в том, что для одного и того же полупроводникового соединения ширина энергетического зазора (Eg) в квантовых точках различного размера будет меняться (рис. 1). Почему это так можно понять, если вспомнить процесс формирования зон в
полупроводнике (рис. 2).
Итак. Различное количество атомов в наночастице – различный энергетический
зазор (Eg) – различная энергия света, которая будет испущена при люминесценции. Такая логическая последовательность позволяет объяснить как можно синтезировать из одного и того же полупроводника (например, CdSe) квантовые точки, излучающие во всем (без преувеличения) видимом диапазоне. И красивые баночки с коллоидными растворами (золями) квантовых точек, которые я вставлял во все посты по квантовым точкам, уже перестают быть настолько загадочными (ну я очень надеюсь).
Еще сегодня я хотел бы разобрать пределы использования определенного полупроводникового соединения для получения определенного цвета люмирнесценции. На рис. 3 представлена картинка, иллюстрирующая положение зон в зависимости от энергии носителей.
Как вы можете видеть, полупроводники отличаются шириной запрещенной зоны. У некоторых Eg составляет порядка единиц (или даже долей) электрон вольта (эВ), у других значение доходит до десятков эВ. Чтобы связать эВ с длиной волны приведу вам простую формулу: длина волны, нм = 1240/Энергия, эВ. То есть чем уже запрещенная зона, тем больше длина волны излучения данного полупроводника. Не забывайте, что вы можете увеличивать ширину запрещенной зоны, получая более мелкие квантовые точки. НО уменьшить её
уже не получится. Значит для каждого полупроводника есть предельная длина волны, больше которой квантовые точки любого размера просто не смогут излучать.
Так как моя задача не просто отписаться, а именно постараться достичь
вашего понимания, то я проиллюстрирую все написанное примером. Возьмем,
например, CdSe в качестве полупроводника. Ширина запрещенной зоны для
объемного (большого) составляет 1,74 эВ (712 нм). Мы хотим получить
люминесценцию на 500 нм, сможем? Мы можем уменьшить размер (получить
квантовые точки) за счёт этого произойдет увеличение энергии запрещенной
зоны и уменьшение длины волны света. Вывод – да, 500 нм мы достигнем,
но для этого нам потребуется получить квантовые точки CdSe. А сможем ли
мы получить излучение на 1000 нм? Не сможем, так как нет такого способа,
позволяющего уменьшить ширину запрещенной зоны.
На этом на сегодня всё, спасибо за внимание!
В следующий раз я расскажу про метод, позволяющий добиться излучения с меньшей энергией, чем позволяет запрещенная зона.