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

У позвоночных нашлось семь поводов поесть фекалий У позвоночных нашлось семь поводов поесть фекалий

Пищевую копрофагию у позвоночных животных можно разделить на семь категорий

N+1
Александр Ведяхин: «ESG прошло стресс-тест» Александр Ведяхин: «ESG прошло стресс-тест»

ESG-повестка снова набирает обороты

РБК
Амазонские дельфины помочились в воздух Амазонские дельфины помочились в воздух

Как китообразные используют мочеиспускание для коммуникации

N+1
«После „Брата“ все решили, что в 90‑е так ходили» «После „Брата“ все решили, что в 90‑е так ходили»

Как костюмы формируют и ломают стереотипы в кино

Weekend
Не время для чувствительности: что делать, если «сводит» зубы Не время для чувствительности: что делать, если «сводит» зубы

Откуда берется повышенная чувствительность зубов и как от нее избавиться

ТехИнсайдер
Елена Аросьева: «Счастье – когда есть и большая семья, и любимая работа» Елена Аросьева: «Счастье – когда есть и большая семья, и любимая работа»

Героини Елены Аросьевой с первой секунды влюбляют в себя зрителей

Здоровье
Страшно красиво Страшно красиво

Простые идеи, как бюджетно украсить дом на Хэллоуин

Лиза
Девушек здесь не ждут: почему женщины в IT поддерживают мизогинию, а не друг друга Девушек здесь не ждут: почему женщины в IT поддерживают мизогинию, а не друг друга

Почему у женщин в IT искаженное восприятие себя в профессии

Forbes
Холмы времени Холмы времени

Научная фантастика сродни сказке и стихотворению

Знание – сила
«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
«Christie's сжульничал с да Винчи»: как собрать коллекцию работ старых мастеров «Christie's сжульничал с да Винчи»: как собрать коллекцию работ старых мастеров

Что происходит сегодня на рынке работ старых мастеров?

Forbes
Устойчивое падение Устойчивое падение

Почему термин ESG становится токсичным в США

РБК
Как правильно медитировать: пошаговая инструкция для новичков Как правильно медитировать: пошаговая инструкция для новичков

Собрали ответы на самые частые вопросы о том, как правильно медитировать

РБК
Секс только после свадьбы: стоит ли игра свеч — непридуманная история Секс только после свадьбы: стоит ли игра свеч — непридуманная история

Что будет, если ненадолго отложить близость?

Psychologies
«Вы бы поставили чип себе в голову?» «Вы бы поставили чип себе в голову?»

Эксперты об аспектах внезапного вторжения искусственного интеллекта в нашу жизнь

Правила жизни
Мария Лотта Мария Лотта

Модель-сенсация Мария Лотта смотрит на вас отовсюду

Собака.ru
Победа в умножении: как был создан карманный калькулятор и как он завоевал рынок Победа в умножении: как был создан карманный калькулятор и как он завоевал рынок

История создания, взлета и падения современного карманного калькулятора

Forbes
Не сильно стильный пол Не сильно стильный пол

О природе сложных отношений российских мужчин с модой

Men Today
Выбор средних Выбор средних

Как «Политика» Аристотеля стала единственной реализованной утопией

Weekend
Восточное сияние. Тест-драйв седана Dongfeng Shine Max Восточное сияние. Тест-драйв седана Dongfeng Shine Max

Седан Shine Max метит на место ушедших бестселлеров

РБК
Основано на (не)реальных событиях. Как братья Коэн придумали «Фарго» Основано на (не)реальных событиях. Как братья Коэн придумали «Фарго»

Как режиссеры братья Коэны придумали оригинальный фильм «Фарго»

СНОБ
Юлий Ким Юлий Ким

Поэт и драматург Юлий Ким глазами Дмитрия Быкова

Дилетант
Практические вопросы: Почему горит индикатор TPMS и как это исправить? Практические вопросы: Почему горит индикатор TPMS и как это исправить?

Что такое индикатор TPMS?

4x4 Club
Вопрос чистоты: как стирать утяжеленное одеяло Вопрос чистоты: как стирать утяжеленное одеяло

Как правильно стирать утяжеленное одеяло как вручную, так и в стиральной машине

ТехИнсайдер
«Советские ветераны Второй мировой войны: народное движение в авторитарном государстве, 1941-1991» «Советские ветераны Второй мировой войны: народное движение в авторитарном государстве, 1941-1991»

Как бывшие фронтовики боролись с советской бюрократией

N+1
«Обучение служением» | Service Learning «Обучение служением» | Service Learning

Мировой тренд «Обучение служением» приходит в Россию

Позитивные изменения
7 советов, которые помогут восстановить сексуальную жизнь, даже когда кажется, что всё пропало 7 советов, которые помогут восстановить сексуальную жизнь, даже когда кажется, что всё пропало

Вот несколько советов сексопатолога — они помогут вернуть огонь в ваши отношения

VOICE
Маск и Люцифер вошли в чат: как стартап Character.AI меняет индустрию развлечений Маск и Люцифер вошли в чат: как стартап Character.AI меняет индустрию развлечений

Character.AI — первый шаг к тому, что боты заменят людей?

Forbes
Сны наяву, раздвоение личности и истерики: случай из практики врача Брейера, положивший начало психоанализу Сны наяву, раздвоение личности и истерики: случай из практики врача Брейера, положивший начало психоанализу

Как случай из практики Йозефа Брейера вдохновил Фрейда

Psychologies
«Паразитизм женского пола»: как философы и феминистки осмысляли патриархат «Паразитизм женского пола»: как философы и феминистки осмысляли патриархат

Говоря о неравенстве, мы часто упоминаем патриархат. А что это вообще такое?

Forbes
Открыть в приложении