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

Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского Выцарапанное на Золотых воротах изображение назвали тамгой Андрея Боголюбского

Что означает тамга, обнаруженная во Владимире на Золотых воротах

N+1
Искусственный интеллект предсказал будущее мира: 6 важных прогнозов из книги «Этюды черни» Искусственный интеллект предсказал будущее мира: 6 важных прогнозов из книги «Этюды черни»

Прогнозы от искусственного интеллекта, которые помогут разобраться в мире

ТехИнсайдер
Тайваньские макаки поохотились на пчел-листорезов Тайваньские макаки поохотились на пчел-листорезов

Макаки в ботаническом саду Фушань ловят и едят пчел-листорезов

N+1
Изобретая заговоры, или История главного злодея XVII века Изобретая заговоры, или История главного злодея XVII века

Титус Оутс входит в пятерку самых страшных английских злодеев тысячелетия

Знание – сила
Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие Используй ложку и телефон: 20 способов доставить себе удовольствие

Двадцать разных способов мастурбации на любой вкус и цвет

Cosmopolitan
Автономный микроробот без батареи перевез груз втрое тяжелее себя Автономный микроробот без батареи перевез груз втрое тяжелее себя

Автономный микроробот без батареи перевез груз втрое тяжелее себя

N+1
Обращение на восточный манер: как регулируют оборот данных в Китае Обращение на восточный манер: как регулируют оборот данных в Китае

Разбираем китайскую специфику обращения с данными

Forbes
Что такое долевое страхование жизни и сможет ли оно заменить ИСЖ Что такое долевое страхование жизни и сможет ли оно заменить ИСЖ

Что такое инвестиционное страхование и почему вокруг него столько споров?

Forbes
Спи, моя радость Спи, моя радость

Как за неделю наладить режим сна и начать выспаться

Лиза
Самцы бабочек с умом подошли к выбору размера копуляционной пробки Самцы бабочек с умом подошли к выбору размера копуляционной пробки

Самцы бабочек делали большие копуляционные пробки, когда конкуренция была выше

N+1
5 пар обуви, которые должны быть у каждой женщины старше 50 лет: мнение стилистов 5 пар обуви, которые должны быть у каждой женщины старше 50 лет: мнение стилистов

Юбилей — отличный повод перебрать шкаф и избавиться от всей старой обуви

VOICE
Две эволюции: сходства и различия Две эволюции: сходства и различия

Простая и изящная дарвиновская модель эволюции в лингвистике

Знание – сила
6 модных и практичных образов на осень-зиму: уроки стиля от Ирины Шейк 6 модных и практичных образов на осень-зиму: уроки стиля от Ирины Шейк

Подсмотрим пару-тройку модных трюков у любимой Ирины Шейк?

VOICE
Сезон ягод Сезон ягод

Эти осенние ягоды богаты витаминами и минералами

Лиза
«Аларих, король вестготов: Падение Рима глазами варвара» «Аларих, король вестготов: Падение Рима глазами варвара»

Как римляне представляли себе готов и другие народы, населявшие берега Дуная

N+1
В 5000-летней гробнице одной из первых египетских правительниц нашли винный склад В 5000-летней гробнице одной из первых египетских правительниц нашли винный склад

Мернейт, или Мерит-Нейт жила около XXX века до нашей эры

N+1
Черный лебедь и Ревущий Котенок Черный лебедь и Ревущий Котенок

«Дурные деньги»: история Кита Гилла, сломавшего Уолл-стрит

Weekend
«Совы во льдах: Как спасли самого большого филина в мире» «Совы во льдах: Как спасли самого большого филина в мире»

Где живут самые большие филины и как привлечь их внимание

N+1
«Опасны для общества»: 4 мифа о пациентах, страдающих шизофренией «Опасны для общества»: 4 мифа о пациентах, страдающих шизофренией

Как наладить жизнь, если у вашего близкого человека диагностировали шизофрению

Psychologies
«Реальный бизнес»: женский футбол растет в цене и уже зарабатывает не меньше мужского «Реальный бизнес»: женский футбол растет в цене и уже зарабатывает не меньше мужского

Почему женский футбол становится все популярнее и прибыльнее

Forbes
Отказ системы: история роботов и андроидов в литературе Отказ системы: история роботов и андроидов в литературе

Как роботы, андроиды и ИИ появились в художественной литературе

Правила жизни
Как самки учат друг друга выбирать Как самки учат друг друга выбирать

Самки животных учатся у других выбирать в качестве партнеров "особенных" самцов

ТехИнсайдер
Враждебный сексизм у родителей связали с авторитарным стилем воспитания детей Враждебный сексизм у родителей связали с авторитарным стилем воспитания детей

Родители с враждебным сексизмом предпочитают авторитарный стиль воспитания

N+1
Каринна Москаленко — Forbes: «Удручает неготовность женщин отстаивать свои права» Каринна Москаленко — Forbes: «Удручает неготовность женщин отстаивать свои права»

Что должна знать каждая женщина о своих правах

Forbes
Стандартные ситуации. Как уменьшить вероятность аварии Стандартные ситуации. Как уменьшить вероятность аварии

Частые ошибки водителей на дорогах, которые приводят к авариям

4x4 Club
Маньяки в жизни и в кино: почему нас завораживают образы серийных убийц Маньяки в жизни и в кино: почему нас завораживают образы серийных убийц

Когда и почему медиа стали одержимы маньяками

Правила жизни
Как «Божественная комедия» Данте повлияла на культуру: от архитектуры до компьютерных игр Как «Божественная комедия» Данте повлияла на культуру: от архитектуры до компьютерных игр

Как написанная 700 лет назад книга повлияла на культуру XX и XXI веков

СНОБ
Секреты стирки Секреты стирки

Хочешь доставать из машинки идеально чистое белье?

Лиза
«Атом должен быть не солдатом, а рабочим». Кто придумал атомную электростанцию «Атом должен быть не солдатом, а рабочим». Кто придумал атомную электростанцию

Как советский физик Игорь Курчатов повлиял на ядерную гонку между СССР и США

СНОБ
На МКС впервые вырастили мышиные эмбрионы На МКС впервые вырастили мышиные эмбрионы

Астронавты культивировали эмбрионы в течение 4-х дней в условиях микрогравитации

N+1
Открыть в приложении