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

Ожирение в детстве в четыре раза повысило вероятность долгосрочного отпуска по болезни в 25 лет Ожирение в детстве в четыре раза повысило вероятность долгосрочного отпуска по болезни в 25 лет

У страдавших ожирением в детстве высокая вероятность уйти в отпуск по здоровью

N+1
Под высоким напряжением Под высоким напряжением

Как быстро успокоить себя и перестать нервничать: советы психолога

Лиза
Шимпанзе используют «деревянный телеграф» для удаленного общения Шимпанзе используют «деревянный телеграф» для удаленного общения

Ученые знают, что шимпанзе барабанят по деревьям, но только сейчас поняли, зачем

ТехИнсайдер
Кольцевой резонатор в форме яйца увеличил размерность оптических систем Кольцевой резонатор в форме яйца увеличил размерность оптических систем

Кольцевой резонатор в форме яйца позволил создать быстрый каскадный лазер

N+1
Надзирать и наказывать Надзирать и наказывать

Рождение тюрьмы

kiozk originals
Все свое Все свое

Что такое tweakments-процедуры и могут ли они заменить все филлеры и нити?

Собака.ru
«Я буду первопроходцем»: как Шейла Фицпатрик уже более 60 лет изучает историю СССР «Я буду первопроходцем»: как Шейла Фицпатрик уже более 60 лет изучает историю СССР

Профессор Шейла Фицпатрик — о цикличности российской истории

Forbes
Алхимия жизни, или Главное о видообразовании Алхимия жизни, или Главное о видообразовании

Как образуются новые виды? Это один из центральных вопросов эволюционной теории

Знание – сила
Селенография Селенография

Что люди знали о Луне до первого полета к спутнику Земли?

Вокруг света
Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Поиск жизни на ближайших планетах натолкнулся на великое молчание

Наука и жизнь
Как криминалистка Софья Файнштейн ловила первого серийного убийцу СССР Как криминалистка Софья Файнштейн ловила первого серийного убийцу СССР

Как криминалистка Софья Файнштейн ловила Мосгаза

Forbes
Записки зрелого врача: каким получился спектакль «Комната Адлера» с Олегом Меньшиковым Записки зрелого врача: каким получился спектакль «Комната Адлера» с Олегом Меньшиковым

Почему пропускать спектакль «Комната Адлера» не рекомендуется

Правила жизни
В чем польза калины для здоровья: 5 свойств В чем польза калины для здоровья: 5 свойств

Рассказываем, почему калину стоит попробовать

РБК
Дорогой, мы зависли: почему отношения не развиваются Дорогой, мы зависли: почему отношения не развиваются

Что делать с отношениями, которые застыли в стадии “Пока не женаты”

VOICE
Фрагмент челюсти возрастом два миллиона лет приписали эректусу Фрагмент челюсти возрастом два миллиона лет приписали эректусу

Ученые исследовали фрагмент нижней челюсти из комплекса стоянок Мелка-Контуре

N+1
Справляемся с тревогой в домашних условиях: 6 вопросов автору техники «экспрессивное письмо» Справляемся с тревогой в домашних условиях: 6 вопросов автору техники «экспрессивное письмо»

Как, не обращаясь к психологу, справиться с чувством беспокойства?

Psychologies
«Жизнь легка, когда поешь шашлыка» «Жизнь легка, когда поешь шашлыка»

Без шашлыка нельзя представить себе ни одну кухню кавказского региона

Зеркало Мира
Квантовая психология Квантовая психология

Что такое квантовая психология простыми словами

Лиза
Дурачась навека: история фильма «Монти Пайтон и священный Грааль» Дурачась навека: история фильма «Монти Пайтон и священный Грааль»

Как появился «Монти Пайтон» и как рождались его шутки

Правила жизни
«Писательницы больше ходят по земле»: как женщины меняют современную литературу «Писательницы больше ходят по земле»: как женщины меняют современную литературу

Что новое поколение авторов привнесло в современную российскую литературу

Forbes
«Голоса советских окраин: Жизнь южных мигрантов в Ленинграде и Москве» «Голоса советских окраин: Жизнь южных мигрантов в Ленинграде и Москве»

Как учебные и рабочие коллективы помогали мигрантам освоиться в городах

N+1
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
Плохая несчастная мать: роман о домашнем насилии и тех, кто позволяет ему случиться Плохая несчастная мать: роман о домашнем насилии и тех, кто позволяет ему случиться

Отрывок из романа «Ветер уносит мертвые листья»

Forbes
Максимально точный психологический тест: он знает, что вы за человек на самом деле Максимально точный психологический тест: он знает, что вы за человек на самом деле

Хотите узнать кое-что интересное о себе?

ТехИнсайдер
Вкусные приключения итальянца в России Вкусные приключения итальянца в России

Топ-5 мест в России которые поразили ведущего Федерико Арнальди

Лиза
Кетамин и плацебо под наркозом одинаково облегчили депрессию Кетамин и плацебо под наркозом одинаково облегчили депрессию

Кетамин представляет собой диссоциативный препарат для внутривенного наркоза

N+1
Вы не подозревали, но цветы могут быть полезным перекусом! Интересные факты Вы не подозревали, но цветы могут быть полезным перекусом! Интересные факты

Салат из цветов — это не самое плохое решение

ТехИнсайдер
Какое масло заливать в двигатель в зависимости от топлива и пробега Какое масло заливать в двигатель в зависимости от топлива и пробега

Какие моменты нужно учитывать, чтобы определить, какое масло заливать в двигател

РБК
Сохранить написанное Сохранить написанное

Что позволяет сохранить написанное для потомков?

Знание – сила
Артём Ачкасов: О тюнинге, который не нужен Артём Ачкасов: О тюнинге, который не нужен

Тюнинг — это не всегда рациональное и продуманное решение

4x4 Club
Открыть в приложении