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

Генетики выявили мужчин армянского происхождения в средневековом Болгаре Генетики выявили мужчин армянского происхождения в средневековом Болгаре

Палеогенетики секвенировали ДНК похороненных у стен средневекового Болгара

N+1
Перенос в отношениях: как перестать видеть в партнере — родителя Перенос в отношениях: как перестать видеть в партнере — родителя

Как прекратить ждать от партнера родительского поведения по отношению к вам?

Psychologies
Как можно укрепить колени, уменьшить их скованность и ломоту с возрастом Как можно укрепить колени, уменьшить их скованность и ломоту с возрастом

Атрофия особенно сильно сказывается на коленях. Почему?

ТехИнсайдер
Кофе как повод для технической революции Кофе как повод для технической революции

С чего началась история превращения плодов кофейного дерева в напиток

Знание – сила
Сколько нужно стоять в планке в зависимости от возраста Сколько нужно стоять в планке в зависимости от возраста

Ориентиры по возрасту для стояния в планке

Maxim
Робот-маммолог ощупает грудь в поисках уплотнений Робот-маммолог ощупает грудь в поисках уплотнений

Робот-маммолог поможет в ранней диагностике рака груди

N+1
Стесняюсь спросить: 13 мифов о контрацепции, с которыми давно пора разобраться Стесняюсь спросить: 13 мифов о контрацепции, с которыми давно пора разобраться

Как грамотно выбрать метод контрацепции, которая по сей день окутана мифами

Правила жизни
Вертикальное выражение горизонтального желания: 10 лучших фильмов о танцах Вертикальное выражение горизонтального желания: 10 лучших фильмов о танцах

Доставай диско-шар — пришло время сальсы, буги-вуги, балета, хип-хопа и вальса!

VOICE
Противоестественный человек Противоестественный человек

«Секрет нашего успеха»: чем люди на самом деле отличаются от животных

Weekend
«Я пою о себе, о тебе, обо всех» «Я пою о себе, о тебе, обо всех»

Успех АNNA ASTI идет впереди нее самой

OK!
Давай, до свидания! Давай, до свидания!

Как подготовить дачу к зиме: 12 правил

Лиза
«Ты из кошмара пытаешься найти парадоксальный выход — а других просто нет» «Ты из кошмара пытаешься найти парадоксальный выход — а других просто нет»

Режиссер Михаил Местецкий о своем фильме «Год рождения»

Weekend
Практические вопросы: Почему в машине холодно? Практические вопросы: Почему в машине холодно?

Вы уже преодолели половину своего пути, а из печки дует едва теплым воздухом?

4x4 Club
Культурная утрата: как эмигранты переживают отрыв от корней и почему живут в прошлом Культурная утрата: как эмигранты переживают отрыв от корней и почему живут в прошлом

Беженцы и эмигранты сталкиваются с особым типом горевания — культурной утратой

Forbes
Аллергия начинается с микробиома Аллергия начинается с микробиома

С каждым годом растёт число людей, страдающих аллергиями. В чём причина?

Здоровье
Инженерное мастерство и немного безумия. Кто такие Ringbrothers и зачем они это делают? Инженерное мастерство и немного безумия. Кто такие Ringbrothers и зачем они это делают?

Рассказываем о необычной компании Ringbrothers и их рестомодах

4x4 Club
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
Всем знакомо выражение «до свадьбы заживет». Но вы даже не догадываетесь, у кого, а главное что должно было зажить Всем знакомо выражение «до свадьбы заживет». Но вы даже не догадываетесь, у кого, а главное что должно было зажить

А вы знаете, что у кого должно было зажить и до чьей свадьбы?

ТехИнсайдер
«Мальчик, водочки нам принеси». Любимые сцены Алексея Балабанова из его собственных фильмов «Мальчик, водочки нам принеси». Любимые сцены Алексея Балабанова из его собственных фильмов

Какие сцены из своих фильмов Алексей Балабанов любил больше всего

СНОБ
Антиматерия упала вниз Антиматерия упала вниз

Гравитация Земли притягивает атомы антивещества

N+1
Не давить, не уламывать, не помогать: как должна проходить семейная психотерапия Не давить, не уламывать, не помогать: как должна проходить семейная психотерапия

Как стоит действовать партнерам, которые готовы идти на психотерапию

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
История денег! Когда люди начали использовать кредитные карты История денег! Когда люди начали использовать кредитные карты

Трудно представить себе время, когда кредитные карты еще не существовали

ТехИнсайдер
Лучшие друзья девушек и прагматиков: почему стоит инвестировать в драгоценные камни Лучшие друзья девушек и прагматиков: почему стоит инвестировать в драгоценные камни

Возможности и тенденции альтернативных инвестиций

Forbes
Кто украл кефир? История появления кефира в России Кто украл кефир? История появления кефира в России

Как же в России узнали секрет любимого всеми напитка — кефира?

ТехИнсайдер
Как говорить с детьми до 8 лет о сексе: рекомендации детского психолога Как говорить с детьми до 8 лет о сексе: рекомендации детского психолога

Как сделать половое просвещение частью повседневных обсуждений

Psychologies
Семь удивительных провалов автомобильных топ-менеджеров Семь удивительных провалов автомобильных топ-менеджеров

Люди, которые были на самом верху автомобильной индустрии и потеряли все

Maxim
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
Что не так с рейтингом фильмов «Кинопоиска» Что не так с рейтингом фильмов «Кинопоиска»

Сравниваем рейтинг «Кинопоиска» с IMDB и здравым смыслом

Maxim
Картинки в голове: как ученая Тэмпл Грандин живет с аутизмом и исследует эту тему Картинки в голове: как ученая Тэмпл Грандин живет с аутизмом и исследует эту тему

Отрывок из книги «Картинки в голове: И другие рассказы о моей жизни с аутизмом»

Forbes
Открыть в приложении