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

Неандертальцы изготовили артефакты из добытого в сотнях километров от стоянок обсидиана Неандертальцы изготовили артефакты из добытого в сотнях километров от стоянок обсидиана

Какой обсидиан использовали неандертальцы для изготовления каменных орудий

N+1
«Суд в Нюрнберге: Советский Союз и Международный военный трибунал» «Суд в Нюрнберге: Советский Союз и Международный военный трибунал»

Отрывок из книги: допрос генерала СС Отто Олендорфа

N+1
Прием гипотензивных препаратов вечером обеспечил лучший контроль давления Прием гипотензивных препаратов вечером обеспечил лучший контроль давления

Как контроль приема гипотензивных препаратов контролирует гипертензию

N+1
5 сигналов того, что он вами не увлечен: мнение мужчин 5 сигналов того, что он вами не увлечен: мнение мужчин

Какими могут быть сигналы того, что отношения с мужчиной не сложатся

Psychologies
Польза печени трески: почему врачи рекомендуют есть этот деликатес зимой Польза печени трески: почему врачи рекомендуют есть этот деликатес зимой

Вкусная на бутерброде, источник незаменимых витаминов — все это печень трески

РБК
10 цитат Роберта Сапольски, которые раскроют тайну происходящего в вашей голове 10 цитат Роберта Сапольски, которые раскроют тайну происходящего в вашей голове

Цитаты из книги «Биология добра и зла. Как наука объясняет наши поступки»

Psychologies
Skoda Kodiaq 2024. Всё, что вам нужно знать о новом семейном кроссовере Skoda Kodiaq 2024. Всё, что вам нужно знать о новом семейном кроссовере

Новое поколение Skoda Kodiaq стало длиннее своего предшественника

4x4 Club
81% работающих на удаленке россиян раздражают долгие рабочие созвоны с коллегами 81% работающих на удаленке россиян раздражают долгие рабочие созвоны с коллегами

Удаленные работники предпочитают решать рабочие вопросы письменно

Forbes
Тыква: польза и вред. Что приготовить из главного осеннего продукта? Тыква: польза и вред. Что приготовить из главного осеннего продукта?

Польза и вред тыквы, а так же способы её приготовления

Psychologies
«Букхоппинг»: как книжные магазины стали модными культурными пространствами «Букхоппинг»: как книжные магазины стали модными культурными пространствами

Как изменилась атмосфера в книжных магазинах и почему стало модным туда ходить

Forbes
Тату во имя науки Тату во имя науки

Как нательное искусство помогает исследовать боль

N+1
Битва за молодежь: почему в России увеличивают расходы на патриотическое воспитание Битва за молодежь: почему в России увеличивают расходы на патриотическое воспитание

Ставка на молодежь: есть ли шансы у пропаганды достучаться до детей?

Forbes
Самый принципиальный инвестор Самый принципиальный инвестор

Как Рэй Далио создал крупнейший в мире хедж-фонд

Деньги
Стандартные ситуации. Как уменьшить вероятность аварии Стандартные ситуации. Как уменьшить вероятность аварии

Частые ошибки водителей на дорогах, которые приводят к авариям

4x4 Club
Идеальная любовница: как перфекционизм мешает женщинам наслаждаться сексом Идеальная любовница: как перфекционизм мешает женщинам наслаждаться сексом

Беспокойство — главный враг возбуждения, особенно у женщин

Psychologies
Практические вопросы: Как сэкономить топливо? Практические вопросы: Как сэкономить топливо?

Что такое экономичное вождение?

4x4 Club
Мария Лотта Мария Лотта

Модель-сенсация Мария Лотта смотрит на вас отовсюду

Собака.ru
Самуй дорогой Самуй дорогой

Если вы прежде не бывали на Самуе, то сейчас хороший момент, чтобы это исправить

Robb Report
Исследование: 68% руководителей считают, что сотрудникам не хватает навыков для взаимодействия с коллегами Исследование: 68% руководителей считают, что сотрудникам не хватает навыков для взаимодействия с коллегами

Каких навыков не хватает многим сотрудникам?

Inc.
Заплатить любой ценой: как вымогатели охотятся за семьями спортсменов Заплатить любой ценой: как вымогатели охотятся за семьями спортсменов

Истории атлетов, чьи семьи стали мишенью преступников

Forbes
Как выбрать внешний жесткий диск: наши советы и рекомендации Как выбрать внешний жесткий диск: наши советы и рекомендации

Какие бывают внешние HDD, на какие их характеристики нужно обратить внимание?

CHIP
«Страх или скука покажут, что вы двигаетесь не туда»: взгляд философа «Страх или скука покажут, что вы двигаетесь не туда»: взгляд философа

Как избавиться от груза прошлого и взять на себя ответственность за свою жизнь

Psychologies
«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
Польза и вред фиников: 8 научных фактов Польза и вред фиников: 8 научных фактов

В чем польза и вред фиников для организма

РБК
Что такое «медленный» метаболизм и как его ускорить: рассказывают ученые Что такое «медленный» метаболизм и как его ускорить: рассказывают ученые

Может ли обмен веществ быть медленным или быстрым?

ТехИнсайдер
Ирония судьбы на французском: как Вуди Аллен переизобретает себя в Европе Ирония судьбы на французском: как Вуди Аллен переизобретает себя в Европе

«Великая ирония»: почему именитые режиссеры все больше заняты самоповтором

Forbes
Игра «Лила»: может ли настолка с индийскими корнями заменить психолога Игра «Лила»: может ли настолка с индийскими корнями заменить психолога

«Лила» — игра для самопознания. Она стремительно набирает популярность в России

Psychologies
ИИ-тренеры на выбор и геймификация: как работает «умный» фитнес-зал, где нет даже ресепшена ИИ-тренеры на выбор и геймификация: как работает «умный» фитнес-зал, где нет даже ресепшена

Вся работа этого фитнес-зала строится вокруг приложения и LED-дисплеев

VC.RU
Послеродовая депрессия Послеродовая депрессия

Тема послеродовой депрессии вызывает много споров. И с ней не всё так просто

Здоровье
Жители юга Сулавеси изготовили орудия из зубов тигровой акулы семь-пять тысяч лет назад Жители юга Сулавеси изготовили орудия из зубов тигровой акулы семь-пять тысяч лет назад

Археологи исследовали два просверленных зуба тигровой акулы со следами износа

N+1
Открыть в приложении