В статье приведен краткий обзор работ, посвященных синтезу, исследованию фотофизических и спектральных свой¬ств и анализу применений полупроводниковых нанокристаллов – квантовых точек (КТ). Обсуждаются фундаментальные закономерности, связывающие морфологию КТ с их оптико-спектральными характеристиками, а также некоторые теоретические модели, позволяющие описать различные эффекты и процессы: квантово-¬размерный эффект, электрон-¬фононное взаимодействие, эффекты локального поля, мерцание фотолюминесценции одиночных КТ. Приводятся результаты оригинальных экспериментальных и теоретических исследований температурных зависимостей спектров коллоидных КТ с излучающим ядром CdSe, позволивших прояснить природу формирования спектров одиночных КТ и их ансамблей. Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) Полупроводниковые квантоворазмерные структуры – квантовые точки (КТ), благодаря своим уникальным оптическим свой­ствам, в последнее время являются объектом активных фундаментальных и прикладных исследований. Интерес к таким системам обусловлен значительным отличием их оптических свой­ств от свой­ств аналогичного объемного материала. В частности, им свой­ственны так называемые квантово-­размерные эффекты, связанные с зависимостью энергетических состояний от размера самой системы. Варьируя размер квантовой точки, можно изменить спектр ее экситонных, электронных и фононных состояний, управлять спектром излучения и поглощения, добиваясь тем самым необходимых характеристик. Квантовые точки были впервые синтезированы в 1981 году А. И. Екимовым и А. А. Онущенко в стеклянной матрице [1], а затем в 1983 году Луисом Брюсом в коллоидном растворе [2]. Теория квантовых точек была создана Александром Эфросом в 1982 году [3]. А. И. Екимов, А. Л. Эфрос и Л. Брюс за открытие квантовых точек были награждены Премией Р. В. Вуда (2006). Сам термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом [4]. Работы А. И. Екимова, А. Л. Эфроса и Л. Брюса стали отправной точкой для исследований нового класса физических объектов с размером в единицы нм. Вскоре на основе исследований наноразмерных кристаллов полупроводников был сделан вывод о модификации электронных уровней вещества при переходе от объемного материала к наномасштабам [3, 5, 6]. Это явление получило название квантово-­размерного эффекта [7], о котором подробнее будет рассказано далее. Оптические параметры квантовых точек тесно связаны с их геометрическими характеристиками и химическим составом. Правило, справедливое для всех полупроводниковых квантовых точек, гласит, что с уменьшением физических размеров величина запрещенной зоны будет увеличиваться, что, в свою очередь, будет накладывать ограничения на величину кванта энергии, которую квантовая точка способна поглотить или излучить. Современные методы синтеза позволяют создавать квантовые точки из различных материалов (рис. 1). Комбинируя материалы, создавая наночастицы различного размера, можно получать самые различные конфигурации оптических свой­ств, чем квантовые точки и заслужили свою огромную популярность. Кроме возможности тонко настраивать оптические параметры, что представляет большой интерес для фундаментальной науки, квантовые точки востребованы в технологиях: солнечные элементы и светодиоды, новые дисплеи, быстрые оптические переключатели, биологические маркеры и маркеры для ценных бумаг, квантовая информатика и коммуникации – все это не полный перечень приложений так называемых «искусственных атомов» – полупроводниковых нанокристаллов. Квантово-­размерный эффект Оптические свой­ства КТ определяются главным образом двумя факторами: шириной запрещенной зоны полупроводникового материала и влиянием квантово-­размерных эффектов. Совокупность этих факторов и позволяет изготавливать эффективные компактные излучатели с широкополосным поглощением и узкополосной люминесценцией на заданной длине волны. Квантово-­размерный эффект в КТ связан с пространственным ограничением движения носителей заряда (электронов и дырок) по всем трем направлениям. Такие ограничения приводят к изменению энергетического спектра материала – вместо непрерывного распределения образуются дискретные водородоподобные уровни (рис. 2). По этой причине квантовые точки часто называют искусственными атомами. Причину возникновения столь кардинальной перестройки энергетической структуры можно понять, если рассмотреть задачу о нахождении электронно­дырочной пары (экситона) внутри потенциальной ямы. Эта задача в общем случае не имеет аналитического решения, однако может быть значительно упрощена при выполнении ряда условий. Источники: 1.Ekimov A. I., Onushchenko A. A. Kvantovyj razmernyj effekt v trekhmernyh mikrokristallah poluprovodnikov. Pis’ma v ZHETF. 1981;34:363–6. Екимов А. И., Онущенко А. А. Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников. Письма в ЖЭТФ. 1981;34:363–6. 2. Rossetti R., Nakahara S., Brus L. E. Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution. The Journal of Chemical Physics. 1983;79(2):1086–8. DОI: 10.1063/1.445834. 3. Efros A. L., Efros A. L. Mezhzonnoe pogloshchenie sveta v poluprovodnikovom share. FTP. 1982;16(7):1209–14. Эфрос А. Л., Эфрос А. Л. Межзонное поглощение света в полупроводниковом шаре. ФТП. 1982;16(7):1209–14. 4. Reed M. A., Randall J. N., Aggarwal R. J., Matyi R. J., Moore T. M., Wetsel A. E. Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure. Phys Rev Lett. 1988;60(6):535–7. DОI: 10.1103/PhysRevLett.60.535. 5. Brus L. E. Electron–electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. The Journal of Chemical Physics. 1984;80(9):4403–9. DОI: 10.1063/1.447218. 6. Henglein A. Small-particle research: physicochemical properties of extremely small colloidal metal and semiconductor particles. Chem Rev. 1989;89(8):1861–73. DОI: 10.1021/cr00098a010. 7. Alivisatos A. P. Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots. Science. 1996;271(5251):933–7. DОI: 10.1126/science.271.5251.933. Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи. https://www.photonics.su/journal/article/9134 Больше познавательной информации на сайте: technosphera.ru #техносфера