Современная электроника №3/2023

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 43 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 3 / 2023 Рис .5. Структурная схем аколлоидной квантовойточки (colloidal quantum dot) [38]. фазы ; жидкофазная эпитаксия ; хлорид - гидридная газофазная эпитаксия . Большей частью технологии эпи - таксии используются для производ - ства полупроводниковых приборов и интегральных схем в тех процессах , где необходимо создание высоколеги - рованных слоёв на слабо легирован - ных подложках или подложках друго - го типа проводимости . Это отдельная специальная технологическая область , описание которой выходит за рамки темы данной статьи . Поэтому здесь мы больше не будем останавливаться на вопросах эпитаксии . Дополнительную информацию на данную тему можно найти в публикации [37]. С точки зрения современных кван - товых точек в основном интересны коллоидные процессы , в результа - те которых получаются коллоидные полупроводниковые нанокристаллы (colloidal semi-conductor nanocrystals). Именно этот тип полупроводнико - вых нанокристаллов принято назы - вать квантовыми точками (quantum dots – QD). За последнее время был разработан ряд эффективных методов коллоидно - го синтеза квантовых точек . Полученные в результате этих про - цессов «Colloidal quantum dots» (CQD) представляют собой полупроводнико - вые кристаллы размером от 2 до 12 нм , покрытые молекулами поверхностно - активного вещества ( лиганда ), предот - вращающего процесс агломерации . В качестве основы кристаллов кван - товых точек могут быть использованы такие вещества , как CdTe, CdS, CdSe, GaInP, InGaAs, ZnSe, ZnS и другие . На сегодняшний день наиболее широкое распространение получили монодисперсные коллоидные кванто - вые точки на основе CdSe, CdTe, PbS. Квантовые точки халькогенидов кад - мия , например теллурида кадмия , при - влекают особое внимание благодаря наличию у них целого ряда уникаль - ных свойств и возможности их приме - нения в нанофотонике , фотовольтани - ке , нанобиологии и наномедицине . Структурная схема коллоидной квантовой точки (colloidal quantum dot) показана на рис . 5. На условном изображении коллоидной квантовой точки розовым цветом показано вну - треннее ядро , а также внешняя жёлтая оболочка и чёрные линии полимерных лигандных добавок . Одной из характерных особенностей CQD является то , что они имеют дис - кретный флюоресцентный спектр , ана - логичный тому , который наблюдается для некоторых атомов . В совместной работе Алексея Еки - мова и Александра Эфроса , выполнен - ной в Ленинградском ФТИ им . Иоффе , было показано , что нанокристаллы обладают определённым набором квантовых свойств и проявляют себя аналогично « искусственным атомам » [39]. Поведение электрона в кванто - вой точке можно описать с помощью решения уравнения Шрёдингера для случая движения квантовой части - цы в трёхмерной потенциальной яме с непроницаемыми стенками . Полу - ченные при этом параметры , такие , например , как квантование энергии , вырождение энергетических уровней и другие аналогичные характеристи - ки , позволяют с достаточно большой вероятностью моделировать квантовые точки . Структура электронных волно - вых функций QD во многом напоми - нает их аналоги для реальных атомов . Поэтому полупроводниковые кван - товые точки часто называют искус - ственными атомами [40]. Например , если облучать квантовую точку ультрафиолетом ( УФ ), то элек - трон в квантовой точке может быть возбуждён до состояния с более высо - кой энергией и соответственно перей - дёт на более высокий энергетический уровень . Для полупроводниковой кван - товой точки этот переход означает перенос электрона из валентной зоны в зону проводимости . Состояние в таком виде крайне неустойчиво , и , возвра - щаясь на прежний уровень , электрон снимает возбуждение , испуская фотон определённой длины волны . В видимой части спектра цвет этого излучения зависит от разницы энер - гий между зоной проводимости и валентной зоной . В случае , когда зон - ная структура в QD чётко не определе - на , длина волны излучения зависит от интервала между дискретными энер - гетическими состояниями . Благодаря эффекту « квантового огра - ничения » (quantum confinement), воз - никающего из - за небольшого размера точек , количество выделяемой энер - гии относительно постоянно для QP с одинаковым размером , что даёт излу - чение одного цвета . Таким образом , длина волны фотонов , испускаемых QD при снятии возбуждения , зави - сит от размера самой квантовой точ - ки . Так , например , крупные квантовые точки с размерами около 5 нм испуска - ют красный и оранжевый свет , а точ - ки с размером 2–3 нм излучают более высокоэнергичные фотоны , обеспе - чивающие цвета в фиолетовой части спектра . Однако следует подчеркнуть , что конкретные цвета излучения QP различаются в зависимости от её точ - ного физико - химического состава . На рис . 6 показаны спектры излу - чения коллоидных квантовых точек в зависимости от размера . С практической точки зрения важно то , что энергетический спектр излуче - ния квантовой точки можно коррек - тировать , варьируя такие параметры , как , например , геометрические раз - меры , форму , легирование и дефор - мацию . Кроме того , внешние электро - ды , генерирующие управляющее поле , позволяют менять излучение кванто - вой точки в реальном масштабе време - ни . Крайне важно , что квантовые точки обладают очень большим квантовым выходом излучения (> 90%). Перестраиваемая ширина запре - щённой зоны QD позволяет проекти - ровать устройства , предназначенные для работы в определённом диапазо - не длин волн . Особое место среди нанокристал - лов занимают флуоресцентные угле - родные наноматериалы (fluorescent carbon nanomaterials), которые в 2004 году случайно были открыты в про - цессе экспериментов с углеродными нанотрубками [42]. Два года спустя в результате целенаправленных экспе - риментов этот материал был синтези - рован и тщательно изучен в лаборато - рии университета Clemson University, South Carolina, USA. В процессе иссле - дований были обнаружены высокая люминесценция и хорошая раствори - мость в воде .