Размерное квантование и оптические переходы

При уменьшении размера полупроводниковых или металлических наночастиц до нанометрового диапазона в них возникает выраженный эффект размерного квантования, который существенно изменяет электронные и оптические свойства.

Природа размерного квантования

Размерное квантование обусловлено ограничением движения электронов в одном или нескольких пространственных направлениях, когда размер системы становится сравним или меньше длины волны электронов. В этом случае энергетические уровни перестают быть непрерывными, образуются дискретные квантовые состояния.

Квантовые точки — нанообъекты с тремя ограниченными размерами, в которых электроны и дырки ведут себя как частицы в потенциальной яме.
Квантовые проволоки и плёнки — структуры с ограничениями по двум или одному измерению, соответственно.

Последствия квантования для оптических свойств

Изменение ширины запрещённой зоны Уменьшение размеров приводит к увеличению эффективной ширины запрещённой зоны (эффект синих сдвигов в спектрах поглощения и люминесценции). Это объясняется возрастанием энергии нулевой точки квантования и ростом энергии возбуждённых состояний.
Дискретные оптические переходы В спектрах оптического поглощения и излучения появляются четко выраженные линии, соответствующие переходам между дискретными энергетическими уровнями. Это позволяет использовать наночастицы как источники света с настраиваемой длиной волны.
Усиление нелинейных оптических эффектов Размерное квантование приводит к усилению нелинейных оптических процессов (например, мультифотонная генерация, двухфотонная люминесценция), что важно для фотоники и биомедицинских приложений.

Модели и расчёты

Для описания размерного квантования используются различные модели:

Квантовая яма с бесконечными или конечными барьерами Позволяет вычислить дискретные уровни энергии электронов и дырок.
Модель эффективной массы Упрощает расчёты, заменяя сложное зонное строение на движение частиц с эффективной массой.
Теория возмущений и численные методы Применяются для учёта сложных эффектов, таких как спин-орбитальное взаимодействие, деформация кристаллической решётки и электрон-фононное взаимодействие.

Влияние окружающей среды и температуры

Квантовые конфинементы чувствительны к изменению окружающей среды, например, к электрохимическим условиям или типу матрицы, что меняет энергетические уровни и спектры.
Температура влияет на ширину линий переходов, энергию возбуждённых состояний и фононные взаимодействия, что изменяет оптические свойства.

Применения

Оптоэлектроника — создание квантовых светодиодов, лазеров и фотодетекторов с заданными спектральными характеристиками.
Биомедицина — использование флуоресцентных квантовых точек для биомаркеров.
Катализ и сенсорика — изменение оптических и электронных свойств для повышения чувствительности и эффективности.

Ключевые моменты, объединяющие обе темы:

Размеры наночастиц критически влияют на их физические свойства за счёт квантоворазмерных эффектов.
Изменение электронной структуры приводит к новым магнитным и оптическим явлениям, отсутствующим в объемных материалах.
Современные экспериментальные методы позволяют не только измерять, но и манипулировать этими свойствами для практических задач в нанотехнологиях.