Ква́нтовая то́чка (КТ, нанокристал, искусственный атом) — фрагмент проводника или полупроводника (например InGaAs, CdSe, CdS или GaInP/InP), носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Когда их освещают УФ-светом, электрон в квантовой точке может быть возбуждён до состояния с более высокой энергией. В случае полупроводниковой квантовой точки этот процесс соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости. Возбуждённый электрон может вернуться в валентную зону, высвободив свою энергию в виде фотона. Это излучение света (фотолюминесценция) показано на рисунке справа. Цвет этого света зависит от разницы энергий между зоной проводимости и валентной зоной или от перехода между дискретными энергетическими состояниями, когда зонная структура в КТ нечётко определена.

Наноразмерные полупроводниковые материалы плотно удерживают либо электроны, либо дырки. Удержание похоже на частицу в ящике. Особенности поглощения и излучения квантовых точек соответствуют переходам между дискретными квантово-механически разрешёнными уровнями энергии в ящике, напоминающими атомные спектры. По этим причинам квантовые точки иногда называют искусственными «атомами», подчёркивая их связанные и дискретные электронные состояния, подобно встречающимся в природе атомам или молекулам. Электронные волновые функции в квантовых точках напоминают таковые в реальных атомах. Соединив две или более квантовых точек можно создать искусственную «молекулу», проявляющую гибридизацию даже при комнатной температуре. Точная сборка квантовых точек может сформировать сверхрешётки, которые действуют как искусственные твёрдотельные материалы и обладают уникальными оптическими и электронными свойствами.

Квантовые точки обладают промежуточными свойствами между объёмными полупроводниками и отдельными атомами или молекулами. Их оптоэлектронные свойства изменяются в зависимости как от размера, так и от формы. Более крупные КТ диаметром 5—6 нм излучают более длинные волны таких цветов, как оранжевый или красный. КТ меньшего размера (2—3 нм) излучают более короткие волны, создавая синий и зелёный свет. Однако конкретные цвета различаются в зависимости от точного химического состава КТ.

Потенциальные применения квантовых точек включают одноэлектронные транзисторы, солнечные элементы, светодиоды, лазеры, , генерацию второй гармоники, квантовые вычисления, исследования в клеточной биологии, и медицинскую визуализацию. Их небольшой размер позволяет суспендировать некоторые КТ в растворе и использовать их в струйной печати и . Они использовались в тонких плёнках Ленгмюра — Блоджетт. Эти технические средства приводят к созданию менее дорогих и менее трудоёмких методов изготовления полупроводников.

Существует несколько распространённых способов создания квантовых точек. Возможные методы включают коллоидный синтез, самосборку, использование электрического поля и другие.

Производство

Коллоидный синтез Коллоидные полупроводниковые нанокристаллы синтезируются из растворов подобно традиционным химическим процессам. Основное отличие заключается в том, что продукт не выпадает в осадок в виде твёрдого вещества и не остаётся растворённым. Нагревая раствор при высокой температуре, прекурсоры разлагаются с образованием мономеров, которые затем создают нанокристаллы на зародышах. Температура является решающим фактором при определении оптимальных условий для роста нанокристаллов. Она должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить возможность перегруппировки и отжига атомов в процессе синтеза, и в то же время достаточно низкой, чтобы способствовать росту кристаллов. Концентрация мономеров — ещё один критический фактор, который необходимо строго контролировать во время роста нанокристаллов. Этот процесс может протекать в двух различных режимах: «фокусировка» и «дефокусировка». При высоких концентрациях мономера критический размер (размер, при котором нанокристаллы не растут и не сжимаются) относительно мал, что приводит к росту почти всех частиц. В этом режиме более мелкие частицы растут быстрее, чем крупные (поскольку более крупным кристаллам для роста требуется больше атомов, чем маленьким кристаллам), что создаёт фокусировку функции распределения КТ по размерам, что приводит к невероятному распределению почти монодисперсных частиц. Фокусировка по размеру оптимальна, когда концентрация мономера поддерживается такой, что средний размер присутствующих нанокристаллов всегда немного превышает критический размер. Со временем концентрация мономера уменьшается, критический размер становится больше существующего среднего размера, и распределение дефокусируется. Созданы коллоидные методы производства множества различных полупроводниковых КТ. Типичные точки состоят из бинарных соединений, таких как сульфид свинца, селенид свинца, селенид кадмия, сульфид кадмия, теллурид кадмия, арсенид индия и фосфид индия. КТ также можно изготовить из тройных соединений, таких как сульфид селенида кадмия. Кроме того, недавние достижения позволили синтезировать коллоидные квантовые точки перовскита. Эти квантовые точки могут содержать от 100 до 100 000 атомов в объёме квантовой точки с диаметром от ≈10 до 50 диаметров атомов. Это соответствует примерно от 2 до 10 нанометров, а при 10 нм в диаметре.

Большие количества квантовых точек могут быть синтезированы посредством коллоидного синтеза. Благодаря такой масштабируемости и удобству лабораторных условий коллоидные синтетические методы перспективны для коммерческого применения.

Плазменный синтез Плазменный синтез стал одним из самых популярных газофазных подходов к производству квантовых точек, особенно с ковалентными связями. Например, квантовые точки из кремния (Si) и германия (Ge) были синтезированы с использованием неравновесной плазмы. Размером, формой, поверхностью и составом квантовых точек можно управлять при использовании неравновесной плазмы. Легирование, которое является весьма сложным процессом для квантовых точек, также было реализовано в плазменном синтезе. Плазменный синтез приводит к КТ в форме порошка, поверхность которого можно модифицировать. Это может привести к превосходному диспергированию квантовых точек либо в органических растворителях, либо в воде (то есть коллоидных квантовых точек).

Производство в присутствии электрического поля Электростатический потенциал, необходимый для создания квантовой точки, можно реализовать несколькими методами. К ним относятся внешние электроды, легирование, деформация или примеси. Самособирающихся квантовых точек обычно насчитывается от 5 до 50 нм по размеру. КТи, образованные затворными электродами с литографическим рисунком или травлением двумерного электронного газа в полупроводниковых гетероструктурах, могут иметь поперечные размеры от 20 до 100 нм.

Некоторые квантовые точки представляют собой небольшие области одного материала, погружённые в другой, с большей запрещённой зоной. Это могут быть так называемые структуры ядро-оболочка, например, с CdSe в ядре и ZnS в оболочке, или из особых форм кремнезёма, называемых ормосилом. Субмонослойные оболочки также могут быть эффективными способами пассивации квантовых точек, например, ядра PbS с субмонослойными оболочками из CdS. Квантовые точки иногда возникают спонтанно в структурах с квантовыми ямами из-за монослойных флуктуаций её толщины.

Самособирающиеся квантовые точки зарождаются спонтанно при определённых условиях во время молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и осаждения металлорганических соединений из газообразной фазы (MOVPE), когда материал выращивается на подложке, с которой он не согласован по постоянной решётке. Возникающая в результате деформация приводит к образованию островков поверх двумерного смачивающего слоя. Этот режим роста известен как рост Странского — Крыстанова. Впоследствии островки можно зарастить, чтобы сформировать квантовую точку. Широко используемым типом квантовых точек, выращенных этим методом, являются квантовые точки арсенида индия-галлия в арсениде галлия. Такие квантовые точки имеют потенциал для применения в квантовой криптографии (то есть однофотонных источниках) и квантовых вычислениях. Основными ограничениями этого метода являются стоимость изготовления и отсутствие контроля над расположением отдельных точек. Отдельные квантовые точки могут быть созданы из двумерных электронных или дырочных газов, присутствующих в удалённо легированных квантовых ямах или полупроводниковых гетероструктурах, называемых латеральными квантовыми точками. Поверхность образца покрывают тонким слоем резиста, а затем с помощью электронно-лучевой литографии в резисте определяют поперечный рисунок. Этот рисунок затем можно перенести на электронный или дырочный газ путём травления или нанесения металлических электродов, которые позволяют приложить внешнее напряжение между электронным газом и электродами. Такие квантовые точки в основном представляют интерес для экспериментов и приложений, связанных с транспортом электронов или дырок, а также используются в качестве спиновых кубитов. Преимущество квантовых точек этого типа заключается в том, что их энергетический спектр можно сконструировать, контролируя геометрический размер, форму и силу удерживающего потенциала с помощью электродов затвора. Эти квантовые точки легко соединяются туннельными барьерами с проводящими выводами, что позволяет применять для их исследования методы туннельной спектроскопии. Дополнительная технология металл-оксид-полупроводник (КМОП) может быть использована для изготовления кремниевых квантовых точек. Ультра маленький (L = 20 нм, W = 20 нм) КМОП-транзисторы ведут себя как одноэлектронные квантовые точки при криогенной температуре в диапазоне −269 °С (4 К) примерно до −258 °С (15 К). В транзисторе наблюдается кулоновская блокада из-за последовательного процесса зарядки электронами (дырками). Количество электронов (дырок), заключённых в канале, определяется напряжением на затворе, начиная с заполнения нуля электронов (дырок), и его можно установить равным 1 или нескольким.

Вирусная сборка Генно-инженерные вирусы- бактериофаги М13 позволяют создавать биокомпозитные структуры с квантовыми точками. Ранее было показано, что генно-инженерные вирусы могут распознавать определённые поверхности полупроводников методом селекции посредством комбинаторного фагового дисплея. Кроме того, известно, что жидкокристаллические структуры вирусов дикого типа (Fd, M13 и TMV) можно регулировать путём контроля концентрации раствора, ионной силы раствора и внешнего магнитного поля, приложенного к растворам. Следовательно, специфические свойства распознавания вируса используются для организации неорганических нанокристаллов, образующих упорядоченные массивы в масштабе длины, определяемом образованием жидких кристаллов. Используя эту информацию, Lee et al. (2000) смогли создать самоорганизующиеся, высокоориентированные, самоподдерживающиеся плёнки из раствора фага и прекурсора ZnS. Эта система позволила им варьировать как длину бактериофага, так и тип неорганического материала посредством генетической модификации и отбора.

Электрохимическая сборка Высокоупорядоченные массивы квантовых точек также получают электрохимическими методами. Шаблон создаётся путём ионной реакции на границе раздела электролит-металл, которая приводит к спонтанной сборке наноструктур, включая квантовые точки, на металле, который затем используется в качестве маски для меза-травления этих наноструктур на выбранной подложке.

Массовое производство Массовое производство квантовых точек основано на процессе, называемом высокотемпературной двойной инжекцией, который был масштабирован многими компаниями для коммерческих приложений, требующих больших количеств (от сотен килограммов до тонн) квантовых точек. Воспроизводимые размеры КТ, получаемых этим методом производства, используются в широком диапазоне размеров и составов.