Квантовые точки (КТ) — это наночастицы с размерами, сопоставимыми с длиной волны электрона, обычно в диапазоне 1–10 нм. В таких системах электроны и дырки испытывают квантовое ограничение, что ведёт к дискретизации энергетических уровней, напоминающей атомные спектры, за что КТ иногда называют “искусственными атомами”.
Ключевой эффект в КТ — пространственное ограничение носителей заряда по всем трём пространственным координатам. Это приводит к:
Дискретизации уровней энергии. Электронные и дырочные состояния становятся квазидискретными, с интервалами, зависящими от размеров точки.
Изменению эффективной ширины запрещённой зоны. В квантовых точках ширина зоны может существенно увеличиваться по сравнению с объемным материалом за счёт эффекта квантового ограничения.
Энергетический спектр КТ описывается уравнением Шредингера с потенциальной ямой, моделирующей границы квантовой точки. Для сферических КТ часто применяют модель частицы в сферической потенциальной яме.
Форма и размер КТ напрямую влияют на энергетические уровни:
Уменьшение размера увеличивает интервал между уровнями, увеличивая энергию первого возбуждённого состояния.
Ассиметрия формы приводит к снятию вырождения уровней и сложным спектральным структурам.
Материал КТ определяет эффективную массу и потенциал, что влияет на энергию и плотность состояний.
Кулоновское взаимодействие. Электрон-электронные взаимодействия в квантовых точках приводят к дополнительным энергетическим сдвигам и корреляциям.
Спиновые эффекты. Включение спин-орбитального взаимодействия и спинового расщепления приводит к появлению новых уровней и возможности управления спиновыми состояниями.
Связь с окружающей средой. Электронные состояния КТ могут гибридизироваться с состояниями матрицы или контактов, что важно для электронных и оптических устройств.
Оптическая спектроскопия. Фотолюминесценция, поглощение, резонансное рамановское рассеяние.
Туннельная спектроскопия. Изучение локальных состояний методом сканирующего туннельного микроскопа.
Теоретическое моделирование. Методы квантовой химии, моделирование методом конечных элементов и многотельной теории.
Квантовые точки применяются в:
Оптоэлектронике. Светодиоды, лазеры, фотодетекторы с регулируемыми длинами волн.
Биомедицине. Флуоресцентные метки с высокой стабильностью и яркостью.
Квантовых вычислениях. Использование спиновых и зарядовых состояний КТ в качестве кубитов.