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

Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой Третий межзвездный объект оказался слабоактивной кометой

Астрономы подтвердили обнаружение третьего межзвездного объекта

N+1
Антитела к белкам зубной эмали упростили определение пола ископаемых останков Антитела к белкам зубной эмали упростили определение пола ископаемых останков

Исследователи разработали новый метод определения пола древних людей

N+1
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
Опыт освоения: как Россия построила город в Китае и почему он перестал быть русским Опыт освоения: как Россия построила город в Китае и почему он перестал быть русским

Как Россия оставила в истории яркий след мирного освоения новых территорий

Forbes
Что такое калланетика и помогает ли она похудеть: 9 упражнений Что такое калланетика и помогает ли она похудеть: 9 упражнений

Эффективный комплекс упражнений для укрепления мышц, которые можно делать дома

РБК
Что нужно взять с собой в самолет, чтобы перелет был комфортным Что нужно взять с собой в самолет, чтобы перелет был комфортным

Как продумать сборы в самолет от и до

VOICE
Страшно красиво Страшно красиво

Простые идеи, как бюджетно украсить дом на Хэллоуин

Лиза
Диета «Стол 4»: что это, при каких болезнях, рецепты на неделю Диета «Стол 4»: что это, при каких болезнях, рецепты на неделю

Что такое «Стол 4», какие продукты разрешены и чем можно заменить эту диету

РБК
Мужчина больше не должен: что такое современная маскулинность Мужчина больше не должен: что такое современная маскулинность

Как формировались гендерные роли, что такое токсичная маскулинность?

Psychologies
Жаворонки и совы: нейробиолог объясняет, кто самый счастливый Жаворонки и совы: нейробиолог объясняет, кто самый счастливый

Счастливы ли жаворонки? Или совы счастливее?

ТехИнсайдер
«Ваш сын попал в аварию»: 5 фраз, указывающих на мошенника «Ваш сын попал в аварию»: 5 фраз, указывающих на мошенника

Как распознать обман в самом начале общения с незнакомцем

Psychologies
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
Ментальная связь: что это такое и как ее разорвать. Советы психологов Ментальная связь: что это такое и как ее разорвать. Советы психологов

У ментальной связи вполне объяснимые признаки и причины

РБК
Тайм-менеджмент: искусство управлять временем Тайм-менеджмент: искусство управлять временем

Повысить свою эффективность можно – нужно научиться правильно управлять временем

Здоровье
Как носить пальто, если тебе за 50: советы стилистов Как носить пальто, если тебе за 50: советы стилистов

Что является главным модным мастхэвом для зимы и осени?

VOICE
Большинство россиян отказываются от сладкого и мучного, чтобы похудеть. Эффективно ли это? Большинство россиян отказываются от сладкого и мучного, чтобы похудеть. Эффективно ли это?

Каких правил следует придерживаться, отказываясь от сахара?

Psychologies
Усталость от насилия: как разрешать неразрешимые конфликты Усталость от насилия: как разрешать неразрешимые конфликты

Один из успешных примеров преодоления кажущегося неразрешимым противостояния

Forbes
Титан на небесах и в морских глубинах Титан на небесах и в морских глубинах

Как открыли, изучали, добывали и использовали титан

Наука и техника
Ударная техника Ударная техника

Классная клюшка может вывести вас на новый уровень игры. Как их изготавливают?

Robb Report
Ни рыбу, ни мясо: кто из миллиардеров стал вегетарианцем Ни рыбу, ни мясо: кто из миллиардеров стал вегетарианцем

Миллиардеры, которые стали вегетарианцами: кто из-за этики, а кто из-за здоровья

Forbes
День обратился в ночь День обратился в ночь

Затмения часто влияли на ход истории всего человечества

Вокруг света
Магда Геббельс уложила детей спать, после чего убила каждого — всех шестерых белокурых ангелов Магда Геббельс уложила детей спать, после чего убила каждого — всех шестерых белокурых ангелов

Никто из них не догадывался, что им суждено умереть в один день от руки матери

ТехИнсайдер
«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
Игорь Губарь: Лучше летом на «зиме», чем зимой на «лете» Игорь Губарь: Лучше летом на «зиме», чем зимой на «лете»

Когда менять летнюю резину на зимнюю, и на какую именно – с шипами или без

4x4 Club
5 мифов вокруг семейства кошачьих: чего на самом деле хотят усатые-полосатые 5 мифов вокруг семейства кошачьих: чего на самом деле хотят усатые-полосатые

Думаете, что знаете о своей кошке все?

Maxim
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
О таких авто обычный советский гражданин мог только мечтать: на чем ездили знаменитости в СССР О таких авто обычный советский гражданин мог только мечтать: на чем ездили знаменитости в СССР

Какие машины выбирали Гагарин, Высоцкий, Уланова и Михалковы?

ТехИнсайдер
4 способа борьбы с навязчивыми тревожными мыслями 4 способа борьбы с навязчивыми тревожными мыслями

Как справиться с привычкой обдумывать что-то негативное и тревожное

Psychologies
Как родители мешают детям повзрослеть: 3 любимых метода нарциссов Как родители мешают детям повзрослеть: 3 любимых метода нарциссов

Почему некоторые родители не позволяют детям становиться самостоятельными?

Psychologies
В глубинах сапфировых облаков: путешествие на Нептун В глубинах сапфировых облаков: путешествие на Нептун

Так ли на Нептуне всё тихо и спокойно, как кажется на первый взгляд?

Наука и жизнь
Открыть в приложении