Как нобелевские лауреаты по химии материализовали квантовые точки

N+1Наука

Шрёдингер в телевизоре

Как нобелевские лауреаты по химии материализовали квантовые точки

Михаил Бойм

Внутри телевизоров нового поколения QD-OLED светятся нанокристаллы. Некоторые из них побольше и испускают красные лучи, другие, поменьше, — зеленые, хотя все они состоят из одних и тех же солей кадмия. А все потому, что у очень маленьких частиц полупроводника — квантовых точек — размер кристалла напрямую влияет на свойства электронов внутри него. Этот эффект физики предсказали еще сотню лет назад, во времена первых телевизоров на электронно-лучевых трубках, — но подтвердить и тем более применить смогли сильно не сразу. Рассказываем, как Нобелевские лауреаты по химии этого года превратили теоретическое предсказание в современный телевизор, солнечную батарею и средство для диагностики рака.

Электроны взаперти

В 1925 году Эрвин Шрёдингер вывел уравнение, которое должно было описывать изменение энергетического состояния любых квантовых частиц — и одиночных, ни с кем не взаимодействующих, и внутри вещества, например в кристалле.

В теории кристаллическая решетка бесконечная, электроны разных атомов не отличаются между собой, и их можно описать как одинаковые квантовые частицы в усредненном периодическом поле. При таком описании уравнение предсказывает наличие сплошных энергетических зон — то есть значения энергии электронов в кристаллической решетке ограничены, но не дискретным образом.

Но в другом пределе — для одного атома вне кристаллической решетки — энергия одной частицы строго дискретна и может принимать только заданные значения.

К 1929 году, когда уравнение Шрёдингера уже вошло в учебники по квантовой механике, стало понятно, что между предельными случаями есть промежуточное состояние. Когда атомов уже много, но еще не столько, чтобы можно было считать сложенную из них решетку бесконечной, энергия электрона все еще квантуется — но те значения, которые она может принимать, должны зависеть от размера системы. Это явление стали называть квантовым размерным эффектом.

С точки зрения формул, такую систему можно представить как частицу, ограниченную потенциальными барьерами. Ее энергия квантуется, если пространство, ограниченное этими барьерами, по размеру сопоставимо с длиной волны де Бройля самой частицы.

Совсем скоро, в 1937 году, немецкий физик Герберт Фрёлих показал, как этот эффект должен проявляться в реальности: некоторые свойства металлов, например удельная теплоемкость, должны зависеть от размера металлического образца. Проблема была в том, что подтвердить эту гипотезу тогда было невозможно — как подсчитал сам Фрёлих, размер куска металла должен быть сопоставим с длиной волны де Бройля. То есть понадобились бы металлические частицы размером около десяти нанометров, да еще и охлажденные практически до абсолютного нуля.

Но в 1962 году советский физик Владимир Сандомирский обнаружил, что можно обойтись и частицами покрупнее. Согласно его расчетам, эту зависимость должно быть намного легче увидеть, если взять не металл, а полупроводник. Дело в том, что эффективная масса электрона в полупроводнике меньше, чем в проводящем металле, а значит и частицу можно брать побольше, и температуру повыше.

И с этого момента физики стали находить подтверждения разработанной теории — для этого оказалось достаточно нанести на подложку полупроводниковую пленку (например сульфида кадмия) толщиной в несколько нанометров. Эксперименты показывали, что свойства электронов в нанометровом слое действительно зависят от его толщины. Проблема в том, что на пленку могли влиять и свойства подложки — и непосредственного подтверждения гипотезы Фрёлиха в изолированном образце полупроводника к концу 70-х годов все еще не было.

5d1f72511d17a7439219e53bf956e597.jpg
Сверху — зависимость количества уровней энергии (плотность состояний) от энергии в тонкой пленке (сплошная линия) и в макрокристаллическом образце (пунктирная линия) полупроводника. Снизу — зависимость количества уровней энергии от толщины пленки. M. Elinson et al. / Thin Solid Films, 1972

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Зоолог впервые заснял самого крупного грызуна Австралии и Океании Зоолог впервые заснял самого крупного грызуна Австралии и Океании

Зоолог впервые запечатлел на фото и видео низинную мохнатую крысу

N+1
Наталья Гундарева в один миг рассталась с любимым, узнав о его предательстве Наталья Гундарева в один миг рассталась с любимым, узнав о его предательстве

Друзья рассказывают о Наталье Гундаревой

Коллекция. Караван историй
В космосе обнаружили разрушительное явление, которому нет равных по масштабу В космосе обнаружили разрушительное явление, которому нет равных по масштабу

В просторах Вселенной разворачиваются драмы поистине космического масштаба

Inc.
Английский джентльмен и главный хулиган: фильмы Гая Ричи от худшего к лучшему Английский джентльмен и главный хулиган: фильмы Гая Ричи от худшего к лучшему

Непредвзятая оценка фильмографии британца Гая Ричи

Правила жизни
Особый взгляд: 10 культовых фильмов, которые нам подарил Каннский кинофестиваль Особый взгляд: 10 культовых фильмов, которые нам подарил Каннский кинофестиваль

По случаю открытия 78-го смотра — десятка лучших фильмов в истории Канн

Правила жизни
Умный шопинг на всех этапах: как ИИ меняет покупательские стратегии и опыт уже сейчас Умный шопинг на всех этапах: как ИИ меняет покупательские стратегии и опыт уже сейчас

Как ИИ меняет пользовательский опыт и e-commerce?

Inc.
Золотой слиток Золотой слиток

Сливочное масло и вкусное, и полезное. Если выбирать качественный продукт

Лиза
«Время измениться в размерах» «Время измениться в размерах»

Корифеи медиабизнеса обсуждают будущее аналоговых и цифровых медиа

Правила жизни
15 самых популярных телесериалов СССР 15 самых популярных телесериалов СССР

Сериалы из СССР: дешево, но порой весьма сердито!

Maxim
Поэт-пророк, или Есть ли у России будущее? Поэт-пророк, или Есть ли у России будущее?

Об одной идее Михаила Лермонтова

Знание – сила
Гайдай сказал ему: «Обещаю, что если буду снимать «12 стульев», роль Воробьянинова получите вы» Гайдай сказал ему: «Обещаю, что если буду снимать «12 стульев», роль Воробьянинова получите вы»

Невестка Сергея Филиппова вспоминает о великом актере

Коллекция. Караван историй
Вещи, с которыми ассоциируется исключительно СССР Вещи, с которыми ассоциируется исключительно СССР

Самые простые бытовые предметам, которые неотделимы от советского образа жизни

Maxim
«Еще вчера строил планы, а сегодня — в коляске»: как справиться с внезапной инвалидностью «Еще вчера строил планы, а сегодня — в коляске»: как справиться с внезапной инвалидностью

Как столкнуться с серьезной травмой и не упасть в апатию?

Psychologies
Сам себе: как устроены студии автопортрета и почему съемки без фотографа стали трендом Сам себе: как устроены студии автопортрета и почему съемки без фотографа стали трендом

За последние месяцы стали все чаще появляться черно-белые портретные фотосессии

Правила жизни
Почему мы теряем мотивацию и как ее вернуть: 5 способов Почему мы теряем мотивацию и как ее вернуть: 5 способов

Почему мы не доводим дела до конца? Как не упустить мотивацию и прийти к цели?

Psychologies
Исследование: 67% работодателей проверяют личные аккаунты соискателей в соцсетях Исследование: 67% работодателей проверяют личные аккаунты соискателей в соцсетях

Как активность в соцсетях влияет на процесс трудоустройства

Inc.
Вкус жареного Вкус жареного

Вкус жареного делает еду гораздо привлекательнее, но, увы, не полезнее

Здоровье
Свобода от обязательств: 5 преимуществ секса со зрелой женщиной Свобода от обязательств: 5 преимуществ секса со зрелой женщиной

Что с возрастом происходит с женской сексуальностью?

Psychologies
Не выкупает иронии: может ли искусственный интеллект переводить художественные тексты? Не выкупает иронии: может ли искусственный интеллект переводить художественные тексты?

А что, если с помощью искусственного интеллекта можно переводить книги и фильмы?

Правила жизни
Не дайте стрессу себя поработить! Не дайте стрессу себя поработить!

Как успокоиться и минимизировать последствия стресса?

Здоровье
«Икота, перейди на Федота!»: 7 проверенных способов, как перестать икать «Икота, перейди на Федота!»: 7 проверенных способов, как перестать икать

Рассказываем, какими же способами можно быстро избавиться от икоты

ТехИнсайдер
Мировой рекорд Мировой рекорд

Рекорд «Русского Витязя»

Знание – сила
И с разными вкусами И с разными вкусами

Так ли полезен твой любимый йогурт?

Лиза
Илон Маск: «С помощью Cybertruck мы вырыли себе могилу» Илон Маск: «С помощью Cybertruck мы вырыли себе могилу»

Илон Маск — создавать такой автомобиль как Cybertruck крайне сложно

4x4 Club
Свой в точку Свой в точку

Рой Лихтенштейн и стереотипы, которые его создали

Weekend
Как менялся взгляд на женскую психотерапию и чем она отличается от мужской Как менялся взгляд на женскую психотерапию и чем она отличается от мужской

Как психоанализ и феминизм искали причины различий проблем женщин и мужчин

Forbes
От идолов до айдолов: что такое парасоциальные отношения и могут ли они навредить? От идолов до айдолов: что такое парасоциальные отношения и могут ли они навредить?

Может ли сильная любовь к музыканту навредить психике?

Правила жизни
По целому подряду причин: почему IT-аутсорсинг становится в России все популярнее По целому подряду причин: почему IT-аутсорсинг становится в России все популярнее

Пока мировой рынок IT-аутсорсинга демонстрирует весьма умеренный рост

Forbes
В Египте раскопали нетронутые жреческие погребения с большим количеством заупокойной утвари В Египте раскопали нетронутые жреческие погребения с большим количеством заупокойной утвари

В Египте Найдены мумии в расписных саркофагах и тысячи ушебти

N+1
«Как тебе не стыдно?!»: как избавиться от деструктивного чувства «Как тебе не стыдно?!»: как избавиться от деструктивного чувства

Почему чувство стыда часто проявляется деструктивно?

Psychologies
Открыть в приложении