Квантовые точки — Нобелевская премия по химии 2023

25 мая, 2024 11:37 пп

Изобретения, Квантовая физика, Химия

524

Один из лауреатов — русский химик из СССР — Алексей Екимов! Он разработал квантовые точки аж 40 лет назад. Сейчас проживает в США.

Очень смешно рассказывает о том, как узнал, что его номинировали, в интервью «Голосу Америки»:

Алексей Екимов, лауреат Нобелевской премии по химии: В 5 часов утра звонок. Сразу проснувшись, не с ходу понимаешь, что говорят, особенно на языке, в большой, скажем так, степени, иностранном. Сначала подумал, что это шутка такая неуместная в 5 часов утра. Но там сказали, Нобелевский комитет… через 20 минут будет трансляция. Ну, думаю, надо посмотреть. Пошел, подключился, и действительно, увидел, что это официальная процедура. Так что, я проснулся, удивился, я бы так сказал, и увидел, что все это правда.

(Далее расшифровка моего видео о квантовых точках с исправлениями и добавками)

Наноточки уже используются в QLED-дисплеях, то есть в телевизорах. Эти частицы настолько малы, что по отношению к нам они такого же размера, как человек по отношению к Солнцу.

Источник, которым я пользовалась для составления этого объяснения: eng.libretexts.org

Цитата:

Длина волны, испускаемая точкой, зависит от её размера. С уменьшением размера точки длина волны также укорачивается и сдвигается в сторону голубого электромагнитного спектра. И наоборот — увеличение размера точки ведет к удлинению волны испускаемого света, сдвигая ее к красному концу.

(Wavelengths of light emitted by a quantum dot depends on its size. As the size decreases, the wavelength emitted also shortens, and moves toward the blue end of the visual electromagnetic spectrum2. Conversely, increasing the dot size lengthens the wavelengths emitted, moving toward the red end).

Это важно, так как во всех остальных материалах по теме пишут НАОБОРОТ: уменьшение точки ведет к увеличению band gap (будет ясно ниже), хотя сам Екимов тоже говорит: «если в какой-то кубический объем посадить наночастицы, и потом этот объем сжимать… если этот объем становится сопоставим с частицей, которая внутри, то энергия этой частицы будет расти с уменьшением размера».

Принцип работы такой: берут молекулу какого-нибудь полупроводникового материала и сжимают до такого нано-размера, что она начинает испускать свет определенного цвета. Ну, естественно, не сама по себе, а при воздействии фотонами. То есть эти точки начинают флюоресцировать.

Как зависит цвет от размера?

Итак, представляем себе атом. У него есть ядро и есть электроны, которые вокруг этого ядра крутятся. (UPD: электроны, оказывается, не крутятся, а находятся где-то в облаке вероятностей вокруг ядра).

Эти электроны распределены по разным орбитам (здесь мы работаем с классической моделью Бора).

То, что в школе мы называли «орбитами» сейчас называют «оболочками» (shells), или «энергетическими уровнями» (energy levels).

Каждый уровень может содержать в себе какое-то определенное максимальное количество электронов. Например, первая оболочка сразу вокруг ядра может содержать только 2 электрона, вторая — 8, третья — 18, четвертая — 32. У всех элементов разное количество электронов, и они распределяются изнутри наружу по мере возрастания, кроме последнего уровня, куда попадает «остаток». Ну то есть, например: 2, 8, а на третьем у него остался 1.

Вот эта последняя оболочка — называется валентной. То есть если там какое-нибудь маленькое количество электронов, то эти электроны склоняются к тому, чтобы оторваться от оболочки (и от атома вообще) и стать, например, свободными электронами.

От этого зависит, какой материал это — проводник, полупроводник или изолятор.

Чем отличается полупроводник от изолятора? Полупроводник в обычном состоянии электроны не отпускает, то есть электроны не отрываются с легкостью от своего валентного уровня, от верхней оболочки, и не начинают участвовать в электрическом токе.

Но если полупроводник, например, нагреть, то он начинает проводить ток. То есть электроны получают энергию, необходимый импульс, для того, чтобы оторваться от своей валентной оболочки и сделать материал проводником.

Если мы разложим эту схему [Бора] в два ряда (приблизим окружность до получения прямых отрезков), у нас получается валентный уровень, то есть передний рубеж электронов, затем у нас появляется band gap, по-английски это означает «зазор».

здесь b — это зазор, экситон (возбужденный электрон, от excited) отрывается от валентного уровня и перескакивает на уровень проводимости, перескакивая зазор b

В русскоязычной науке это переводится как «запрещенная зона», которая запрещена из-за квантования. (UPD: квантование это перескок электрона с уровня на уровень на определенное расстояние, которое не может быть меньше этого зазора).

На самом деле понятнее именно как BAND — «лента», то есть лентообразный зазор.

И за ней у нас начинается уже зона проводимости.

Так вот, как воздействуют на эти квантовые точки? На них воздействуют светом, фотонами. Эти фотоны отдают энергию электронам на валентном уровне. Электроны, получив эту энергию, выскакивают на уровень проводимости.

Вот, ребята, хорошая картинка.

Слева направо: внизу у нас электрончик. Energy band gap — это зазор, который нужно преодолеть.

Второе изображение — как только электрон получил энергию, он выскочил наверх. А бледно-голубой шарик — это пустота, которая от него образовалась. (на предыдущем рисунке — пунктирная линия на валентном уровне, которая называется hole, то есть — дырка. Эти пары так и называют — экситон-дырка).

Но электрон стремится обратно занять свое пустое место. И вот, когда он возвращается, он теряет энергию — красная стрелка вниз обозначает перемещение, желтая волна — это электрон испускает свет.

А дальше у нас такая же история, как с лазерами. Когда мы воздействуем лазером на электрон, он возвращается назад к себе на валентный уровень и испускает энергию, которую он сначала забрал у фотона.

Так вот — что означает этот band gap. Он означает, какое минимальное количество энергии требуется, чтобы электрон перепрыгнул этот уровень, этот зазор.

Ну, например, как лошадь: как минимально её хлестнуть, чтобы она прыгнула через барьер? И какой высоты должен быть этот барьер?

При этом зазор этот должен быть не меньше минимальной длины волны определенного цвета. И тогда вот у вас и получается, что когда вы квантовую точку увеличиваете, то зазор тоже увеличивается между валентным слоем и слоем проводимости, куда может перепрыгнуть электрон. И чем больше этот зазор, тем больше длина волны туда помещается, и максимум — это красная.

А чем больше вы точку сжимаете из того же материала, тем меньше этот зазор. И туда влезает уже только синяя волна.

Я все не могла понять, почему самые маленькие точки испускают белый свет. Оказалось, маленькие точки испускают не белый цвет в нашем классическом понимании (все цвета), а aqua blue (светло-голубой). Это самая короткая длина волны и самая большая энергия.

Почему-то во всех журналах официальное объяснение другое — чем сильнее сжимают точку, тем шире band gap (UPD: Сейчас, после прочтения интервью с Екимовым, еще больше убедилась, что это какая-то ретранслируемая ошибка. При сжатии точки энергия увеличивается, так что и длина волны укорачивается, соответственно и запрещенная зона короче).

Попробуем рассмотреть это с точки зрения энергии. Скорее всего, имеется в виду, что увеличивается количество энергии, необходимое для того, чтобы выдернуть электрон с валентного уровня. Я понимаю это так: когда мы сжимаем точку, то притяжение между ядром и электронами увеличивается, и поэтому необходимо затратить больше энергии, чтобы этот электрон выбить оттуда. Но когда он возвращается, соответственно, он испускает опять же волну большей энергии и крайний предел для этих точек — это бело-голубой свет.