Полупроводниковые квантовые точки

Природа и структура квантовых точек

Полупроводниковые квантовые точки (КТ) — это наночастицы размером порядка нескольких нанометров, в которых электроны и дырки ограничены в трех измерениях. Такое квантовое ограничение приводит к дискретизации энергетических уровней, аналогично атомам, поэтому КТ часто называют “искусственными атомами”.

Квантовое ограничение и энергетические уровни

Размер квантовой точки сопоставим с длиной де Бройля носителей заряда, что приводит к значительному сжатию зонной структуры:

• Энергетические уровни становятся дискретными.
• Энергия основного перехода увеличивается с уменьшением размера КТ (эффект синиеющего сдвига).
• Усиливается влияние электрон-дырочных взаимодействий.

Энергетический разрыв и спектральные свойства КТ регулируются размером и формой, что позволяет настраивать оптические характеристики.

Оптические свойства

КТ демонстрируют яркую фотолюминесценцию с узкими полосами излучения, высокая квантовая эффективность обусловлена квантовым ограничением:

• Эмиссия настраивается размером КТ — меньше размер, выше энергия фотона.
• Высокая стабильность свечения.
• Возможность селективного возбуждения.

Спиновые свойства и взаимодействия

Полупроводниковые КТ могут хранить и манипулировать спином носителей заряда, что важно для квантовых вычислений и спинтроники. Взаимодействия включают:

• Спиново-орбитальное взаимодействие.
• Влияние ядерных спинов на релаксацию.
• Электронно-дырочные корреляции.

Методы синтеза

• Коллоидные методы — получение КТ в растворе с контролем размера и морфологии.
• Молекулярно-пучковое эпитаксиальное осаждение (MBE) — выращивание слоев на подложке.
• Химическое осаждение из паровой фазы (CVD).

Каждый метод позволяет регулировать свойства КТ для конкретных приложений.

Применения

• Оптоэлектроника — светодиоды, лазеры с низким порогом.
• Биомедицинская визуализация — флуоресцентные метки.
• Квантовые вычисления — манипуляция спином в КТ.
• Фотокатализ и солнечные элементы — за счет эффективного поглощения света.