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

Лисица поймала рыбу-пилу Лисица поймала рыбу-пилу

Завезенные в Австралию обыкновенные лисицы могут охотиться на рыб-пил

N+1
Тренд на проявленность. В чем его суть и нужно ли это тебе Тренд на проявленность. В чем его суть и нужно ли это тебе

Быть проявленным – это значит быть собой, быть заметным, видимым для других

Лиза
Исследование показало, что экспрессия приводит к лучшей поддержке от партнера Исследование показало, что экспрессия приводит к лучшей поддержке от партнера

Как способ выражения эмоций влияет на поддержку от романтических партнеров

Inc.
Вещи, с которыми ассоциируется исключительно СССР Вещи, с которыми ассоциируется исключительно СССР

Самые простые бытовые предметам, которые неотделимы от советского образа жизни

Maxim
Сила воли: что мешает нам добиваться цели Сила воли: что мешает нам добиваться цели

Проблема отсутствия силы воли – в образе жизни, который ее ослабляет

Psychologies
«Я слышу то, что пишу» и другие цитаты писателя Юна Фоссе «Я слышу то, что пишу» и другие цитаты писателя Юна Фоссе

Разбираемся в своеобразии творчества норвежского писателя Юна Фоссе

РБК
«Комплексы»: как термин Юнга стал популярным и что он означает «Комплексы»: как термин Юнга стал популярным и что он означает

Откуда пошло понятие «комплексы» и каков его глубинный смысл

Psychologies
Уважая традиции: как вести деловые отношения с индусами Уважая традиции: как вести деловые отношения с индусами

Как работать с индийскими подчиненными и партнерами

Inc.
Что такое долевое страхование жизни и сможет ли оно заменить ИСЖ Что такое долевое страхование жизни и сможет ли оно заменить ИСЖ

Что такое инвестиционное страхование и почему вокруг него столько споров?

Forbes
Желанное искусство каллипедии Желанное искусство каллипедии

Каллипедия — что это за искусство и как оно связано со сказками?

Знание – сила
Акико Ёсано: поэтесса, которая смело говорила об ущемлении прав женщин в Японии Акико Ёсано: поэтесса, которая смело говорила об ущемлении прав женщин в Японии

Акико Ёсано хлестко высказывалась о невидимом труде женщин и материнстве

Forbes
«Друг Отто» «Друг Отто»

«Русский вопрос» с точки зрения Бисмарка

Дилетант
6 автомобилей, которые производятся не там, где вы думали 6 автомобилей, которые производятся не там, где вы думали

Американский BMW, итальянский Jeep и индийский AUDI — что? Да!

4x4 Club
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
Бразилия. Не жизнь, а золото Бразилия. Не жизнь, а золото

Золотая лихорадка: по какому сценарию она развивается и чем заканчивается

Зеркало Мира
Укрыться контентом Укрыться контентом

В какой области лежит будущее контента и населен ли интернет роботами

Правила жизни
Противоестественный человек Противоестественный человек

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

Weekend
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
Поэт-пророк, или Есть ли у России будущее? Поэт-пророк, или Есть ли у России будущее?

Об одной идее Михаила Лермонтова

Знание – сила
Трасса М-7 «Волга»: как ездить и где остановиться для отдыха Трасса М-7 «Волга»: как ездить и где остановиться для отдыха

Где заправиться, что посмотреть на федеральной трассе М-7 «Волга»

РБК
Общественный и зеленый Общественный и зеленый

Как тренд на экологичность скажется на развитии транспорта

РБК
Юрий Шлыков: «Когда подал Любимову заявление об уходе, ор стоял, наверное, неделю...» Юрий Шлыков: «Когда подал Любимову заявление об уходе, ор стоял, наверное, неделю...»

Юрий Шлыков — о том, как разговор с Кирой Муратовой перевернул его жизнь

Коллекция. Караван историй
Искусство и заказ Искусство и заказ

Как платное и недешевое искусство менялось вслед за запросами аудитории

Правила жизни
Бесконтактные платежи: насколько они безопасны Бесконтактные платежи: насколько они безопасны

Стоит ли переживать, если вы потеряли смартфон с системой бесконтактных платежей

CHIP
Я — сноб. Сомелье Светлана Ломсадзе Я — сноб. Сомелье Светлана Ломсадзе

Сомелье Светлана Ломсадзе — про любимые книги, подкасты и музыку

СНОБ
Враждебный сексизм у родителей связали с авторитарным стилем воспитания детей Враждебный сексизм у родителей связали с авторитарным стилем воспитания детей

Родители с враждебным сексизмом предпочитают авторитарный стиль воспитания

N+1
Что такое торрент, и как он работает: просто о сложном Что такое торрент, и как он работает: просто о сложном

Торренты, сиды, пиры, личи, пиринговые сети — что скрывается за этими словами?

CHIP
«Инструменты титанов»: какие привычки имеют успешные люди «Инструменты титанов»: какие привычки имеют успешные люди

Какие приемы помогают успешным людям всегда быть впереди конкурентов

Psychologies
Федор Лавров: «Я охочусь за историями людей, историями становления или разрушения их характеров» Федор Лавров: «Я охочусь за историями людей, историями становления или разрушения их характеров»

Федор Лавров — о том, каково быть ребенком известных родителей

Коллекция. Караван историй
Метаморфозы спутника Метаморфозы спутника

Как изменились представления о Селене со времен «Незнайки на Луне»

Вокруг света
Открыть в приложении