Квантовая точка
-
Квантовые точки: определение и свойства
- Квантовые точки (КТ) — полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров.
- Обладают оптическими и электронными свойствами, отличающимися от свойств более крупных частиц.
- Возбужденный электрон может излучать свет (фотолюминесценция).
-
Характеристики и применение
- Квантовые точки удерживают электроны или электронные дырки, подобно атомам.
- Обладают свойствами, промежуточными между объемными полупроводниками и атомами.
- Применяются в одноэлектронных транзисторах, солнечных элементах, светодиодах, лазерах и других устройствах.
-
Конструкции с сердечником/оболочкой
- Квантовые точки покрываются органическими лигандами для контроля роста и диспергирования.
- Органические покрытия могут снижать квантовый выход флуоресценции.
- Существуют гетероструктуры с сердечником/оболочкой для улучшения флуоресцентных свойств.
-
Производство квантовых точек
- Методы включают коллоидный синтез, самосборку и электрическое стробирование.
- Коллоидный синтез использует нагревание раствора для образования нанокристаллов.
- Существуют коллоидные методы получения различных полупроводников, включая перовскит.
-
Размеры и количество квантовых точек
- Квантовые точки имеют диаметр от 2 до 10 нанометров.
- При диаметре 10 нм можно разместить около 3 миллионов точек на ширину большого пальца.
-
Методы синтеза квантовых точек
- Коллоидный синтез позволяет синтезировать большие партии квантовых точек.
- Плазменный синтез используется для получения ковалентных связей и контроля размера, формы и состава точек.
-
Изготовление квантовых точек
- Электростатический потенциал может быть реализован внешними электродами, легированием, деформацией или примесями.
- Самособирающиеся квантовые точки образуются при определенных условиях в структурах с квантовыми ямами.
- Квантовые точки могут быть созданы из двумерных электронных или дырочных газов.
-
Технологии и применение
- Технология комплементарного взаимодействия металл-оксид-полупроводник (КМОП) используется для изготовления кремниевых квантовых точек.
- Вирусная сборка позволяет создавать биокомпозитные структуры с квантовыми точками.
- Электрохимическая сборка создает высокоупорядоченные массивы квантовых точек.
-
Массовое производство
- Высокотемпературная двойная инжекция используется для производства больших количеств квантовых точек.
- Процесс молекулярного затравливания обеспечивает воспроизводимый способ получения высококачественных квантовых точек.
- Перенос методики горячего инжектирования на техническую систему непрерывного потока позволяет увеличить объемы производства.
-
Квантовые точки без тяжелых металлов
- Разработаны квантовые точки, не содержащие тяжелых металлов, для использования в потребительских товарах.
- Пептиды исследуются как потенциальный материал для создания квантовых точек.
-
Опасность квантовых точек
- Квантовые точки могут быть токсичными при определенных условиях.
- Исследования токсичности сосредоточены на частицах с кадмием.
- Токсичность зависит от физико-химических характеристик и окружающей среды.
-
Механизм цитотоксичности
- Квантовые точки выделяют свободные ионы кадмия при окислении.
- КТ II–VI групп индуцируют образование активных форм кислорода.
- Добавление оболочки из ZnS ингибирует образование активных форм кислорода.
-
Внутриклеточные пути и токсичность
- КТ концентрируются в клеточных органеллах, недоступных для ионов металлов.
- КТ могут индуцировать мутации ДНК.
- Внутриклеточная доза является основным фактором токсичности.
-
Выведение и экзоцитоз
- КТ выводятся с мочой на животных моделях.
- Экзоцитоз КТ плохо изучен в лабораторных условиях.
-
Разнообразие и сложность оценки токсичности
- Разнообразие материалов делает оценку токсичности сложной.
- Традиционные методы оценки токсичности неприменимы для КТ.
- Исследователи разрабатывают новые подходы и методы.
-
Оптические свойства
- Квантовые точки перестраивают ширину запрещенной зоны.
- Размер и форма КТ влияют на окраску и время жизни флуоресценции.
- Оболочки из полупроводникового материала улучшают квантовый выход.
-
Приложения
- Квантовые точки перспективны для оптических систем и квантовой обработки информации.
- Настройка размера КТ важна для различных применений.
- КТ обладают высокой плотностью состояний и превосходными транспортными и оптическими свойствами.
-
Биология
- Квантовые точки превосходят органические красители по яркости и стабильности.
- КТ используются для высокочувствительной клеточной визуализации и отслеживания молекул.
- КТ обладают антибактериальными свойствами и могут убивать бактерии.
-
Применение квантовых точек в биологии
- Использование в качестве донорных флуорофоров в резонансной передаче энергии Ферстера
- Избирательное возбуждение донора КТ и минимальное возбуждение акцептора красителя
- Возможность аппроксимации квантовой точки как точечного диполя
-
Нацеливание на опухоль
- Активное нацеливание: функционализация с опухолеспецифичными сайтами связывания
- Пассивное нацеливание: улучшенное проникновение и удержание опухолевых клеток
- Токсичность квантовых точек in vivo, но стабильные полимерные покрытия снижают токсичность
-
Интраоперационное обнаружение опухолей
- Квантовые точки как неорганический флуорофор для флуоресцентной спектроскопии
- Сжатие клеток для эффективной доставки квантовых точек без агрегации и потери жизнеспособности клеток
-
Фотоэлектрические устройства
- Настраиваемый спектр поглощения и высокие коэффициенты поглощения
- Квантовые точки могут повысить эффективность и снизить стоимость кремниевых фотоэлектрических элементов
- Квантово-ограниченные основные состояния коллоидных квантовых точек обеспечивают генерацию фототока из фотонов с энергией ниже основной запрещенной зоны
-
Солнечные элементы
- Использование ароматических самособирающихся монослоев для улучшения выравнивания полос
- Гибридные солнечные элементы с коллоидными квантовыми точками и неорганическими материалами
- Монокристаллические нанопроволоки ZnO с квантовыми точками CdSe для чувствительных к КТ солнечных элементов
-
Светодиоды
- Использование квантовых точек для улучшения существующих конструкций светодиодов
- Дисплеи на квантовых точечных светодиодах (QD-LED) и дисплеи на квантовых точечных белых светодиодах (QD-WLED)
- Дисплеи с квантовыми точками обеспечивают более четкие цвета и энергоэффективность
-
Фотоприемные устройства
- Фотодетекторы на квантовых точках могут быть изготовлены из раствора или монокристаллических полупроводников
- Потенциальное применение в камерах, машинном зрении, промышленном контроле и спектроскопии
-
Фотокатализаторы
- Использование квантовых точек в фотокатализаторах для улучшения эффективности и снижения стоимости
-
Фотокатализ и квантовые точки
- Квантовые точки используются для фотокаталитического превращения воды в водород.
- Фотокаталитическая активность зависит от размера и степени квантового удержания точек.
- Поверхностно-активные вещества на поверхности точек замедляют процессы массопереноса и переноса электронов.
-
Теория квантовых точек
- Квантовые точки описываются как точечные объекты нулевого измерения.
- Их свойства зависят от размеров, формы и материалов.
- Квантовое ограничение проявляется при размерах, меньших критического.
-
Моделирование квантовых точек
- Существуют квантово-механические, полуклассические и классические модели.
- Квантово-механические модели включают взаимодействие электронов с псевдопотенциальной матрицей.
- Полуклассические модели включают химический потенциал и емкость.
- Классические модели аналогичны задаче Томсона об оптимальном распределении электронов.
-
История квантовых точек
- Первые квантовые точки были синтезированы в 1981 году.
- Термин «квантовая точка» появился в 1986 году.
- В 1993 году был разработан метод синтеза методом горячей инжекции.
- Нобелевская премия по химии 2023 года присуждена за открытие и синтез квантовых точек.