Сегодня - 14.11.2018

Наночастицы с огромным потенциалом

01 ноября 2018

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.
 
Квантовые точки, люминесцирующие в видимой области от фиолетового до красного, производятся в килограммовых масштабах на PlasmaChem GmbH
 
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.
 
Работы на установке молекулярно-лучевой эпитаксии Ge/Si в ИФП СО РАН ведет ведущий инженер-технолог В.А. Армбристер
 
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. 
 
Анатолий Двуреченский
 
Фото: из открытых источников (1, анонс), предоставлено автором (2)
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus