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

«Белорусские мифы. От Мары и домашнего ужа до волколака и Злыдни» «Белорусские мифы. От Мары и домашнего ужа до волколака и Злыдни»

Какая нечистая сила обитает в вихре

N+1
Как самки учат друг друга выбирать Как самки учат друг друга выбирать

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

ТехИнсайдер
Палеогенетики прочитали ДНК четырех людей эпохи неолита из памятника Лепенски-Вир Палеогенетики прочитали ДНК четырех людей эпохи неолита из памятника Лепенски-Вир

Палеогенетики прочитали ДНК четырех человек на памятнике Лепенски-Вир

N+1
Кулинарные мемуары: актер Стэнли Туччи рассказывает истории о своих любимых блюдах Кулинарные мемуары: актер Стэнли Туччи рассказывает истории о своих любимых блюдах

Глава из книги Стэнли Туччи «Вкус. Кулинарные мемуары» о Флоренции

Forbes
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Знатному пазырыкцу поставили диффузный идиопатический скелетный гиперостоз Знатному пазырыкцу поставили диффузный идиопатический скелетный гиперостоз

Ученые исследовали останки мужчины, найденные в могильнике Ак-Алаха-1

N+1
Как включить голову Как включить голову

Почему важно учить ребёнка критически оценивать информацию

Здоровье
Холмы времени Холмы времени

Научная фантастика сродни сказке и стихотворению

Знание – сила
Быстро – не значит без ошибок Быстро – не значит без ошибок

Человек разумный очень сильно отличается от других представителей животного мира

Знание – сила
Страшно красиво Страшно красиво

Простые идеи, как бюджетно украсить дом на Хэллоуин

Лиза
Криминальное чтиво: 5 захватывающих книг о преступлениях и расследованиях Криминальное чтиво: 5 захватывающих книг о преступлениях и расследованиях

Книги, которые показывают все разнообразие современного детектива

ТехИнсайдер
Почему вы не достигаете целей: 3 основные ловушки Почему вы не достигаете целей: 3 основные ловушки

Почему мы не достигаем своих целей? Что делать, чтобы прийти к результату?

Psychologies
Кино на пределе возможностей: 6 спортивных байопиков, которые нужно увидеть Кино на пределе возможностей: 6 спортивных байопиков, которые нужно увидеть

Впечатляющие фильмы про спортсменов, которые основаны на реальных событиях

Правила жизни
«Прибыль ниоткуда не посыпется»: как женщины управляют бизнесом и развивают регионы «Прибыль ниоткуда не посыпется»: как женщины управляют бизнесом и развивают регионы

Развитие локальных территорий может принести бизнесу больше, чем освоение столиц

Forbes
История в картинках: 10 лучших исторических сериалов за 10 лет История в картинках: 10 лучших исторических сериалов за 10 лет

Сериалы, в которых взгляд на историю достаточно глубок

Правила жизни
Что смотреть на фестивале «Послание к человеку» Что смотреть на фестивале «Послание к человеку»

«Послание к человеку» в этом году посвящено памяти Алексея Медведева

Weekend
Иногда они возвращаются Иногда они возвращаются

9 забытых трендов в интерьере, которые снова в моде

Лиза
Что блог подаст Что блог подаст

Какую роль блогеры действительно играют в мире гастрономии

Правила жизни
Баллистический парашют спас китайское аэротакси от крушения Баллистический парашют спас китайское аэротакси от крушения

Четыре парашюта снизили скорость спуска аэротакси до пяти метров в секунду

N+1
Любовь-морковь Любовь-морковь

Как понять, что мужчина влюблен: 10 красноречивых признаков

Лиза
Как работали великие режиссеры: 5 книг от гениев киноискусства Как работали великие режиссеры: 5 книг от гениев киноискусства

5 интереснейших книг, написанных режиссерами

ТехИнсайдер
Дань независимости: как молодые музыканты строят сейчас карьеру в России Дань независимости: как молодые музыканты строят сейчас карьеру в России

Как молодые музыкантам удается выживать в новых, не самых благоприятных условиях

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
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
Давай, до свидания! Давай, до свидания!

Как подготовить дачу к зиме: 12 правил

Лиза
Если хочется чудес: 5 фэнтезийных книжных миров, где магия сродни науке Если хочется чудес: 5 фэнтезийных книжных миров, где магия сродни науке

Фэнтезийные книги, в которых к магии (самой настоящей!) относятся, как к науке

ТехИнсайдер
Как продлить срок службы смартфона: 8 полезных советов Как продлить срок службы смартфона: 8 полезных советов

Важные правила, которые позволят смартфону служить долго и без проблем

CHIP
Что русскому здорово Что русскому здорово

Откуда взялись стереотипы национальных характеров и нравов

Weekend
Снова синяк! Откуда берутся гематомы на теле без видимых причин Снова синяк! Откуда берутся гематомы на теле без видимых причин

Иногда синяки на теле свидетельствуют о наличии тяжелого заболевания

Лиза
Звезда Востока. 5 весомых причин для поездки в Узбекистан Звезда Востока. 5 весомых причин для поездки в Узбекистан

Лучшие сезоны для поездок в Узбекистан: весна и осень

Лиза
Открыть в приложении