Квантовые точки – рукотворные атомы наноразмеров

Способностью собираться вместе и образовывать структуры наноразмеров обладают не только атомы углерода, но многие другие атомы. При этом объединяться, конечно, могут не только одинаковые атомы или молекулы, но и разные. Им надо, просто, помочь. Стремясь друг к другу и образуя такие структуры, атомы и молекулы уменьшают потенциальную энергию взаимодействия друг с другом. Стремление к минимуму потенциальной энергии – общий принцип функционирования всех систем. Поэтому, если электрону в атоме сообщить энергию, то он сначала перейдёт на более высокую орбиту, но спустя очень небольшое время окажется опять на более низкой, так она соответствует минимуму потенциальной энергии атома. При этом энергия, от которой избавился атом, переходя в более низкое энергетическое состояние, излучается в виде кванта энергии определённой частоты. Атом, как и всё вокруг стремится оказаться на дне ближайшей потенциальной ямы.

Потенциальные ямы могут быть рукотворными и их можно сооружать, например, для электронов проводимости полупроводников. В разных полупроводниках, чтобы стать таким электроном общего пользования, необходима различная энергия, т.н. ширина запрещённой зоны. Поэтому, если вставить нанослой полупроводника А с узкой запрещённой зоны между образцами другого полупроводника Б, обладающего широкой запрещённой зоной, то некоторые электроны проводимости полупроводника А не смогут перейти в полупроводник Б и окажутся запертыми в пределах своего слоя. Это значит, что такая структура, которую называют гетероструктурой, оказалась для этих электронов потенциальной ямой.

Атомы, объединяясь в гетероструктуру, продолжают жить по законам квантовой физики. Это значит, что потенциальная энергия этой гетероструктуры может изменяться только дискретным образом. При этом, когда гетероструктура из атомов переходит из одного состояния в другое, то она излучает квант света той длины волны, которая соответствует разности энергий между этими состояниями.

Рисунок 12а. Образование квантовой точки при внесении GaAs (зелёный овал) в ямку прямоугольной формы в AlAs. Внизу - потенциальная яма с двумя энергетическими уровнями Е₀ и Е₁, переход между которыми соответствует жёлтому кванту света.

Одним из способов заставить атомы объединяться в гетероструктуру – сделать микронеоднородность, т.е. что-то изменить в какой-то точке, и тогда эта область может оказаться более предпочтительной для группы каких-то атомов. Неоднородность можно сделать, например, с помощью фотолитографии – сначала вытравить маленький кусочек поверхности (сделать ямку) в AlAs, а потом положить в эту ямку GaAs (рис.12а). Если «встряхнуть» такую гетероструктуру, передав ей квант энергии, её потенциальная энергия увеличиться ступенчато с Е₀ до Е₁. В «приподнятом» состоянии гетероструктура пробудет недолго и потом снова свалится на самый нижний уровень, излучив в данном случае жёлтый квант света.

Рисунок 12б. Объёмное изображение квантовой точки, представляющей собой пирамидку их атомов германия, спонтанно образовавшуюся на кремниевой подложке.

Объёмное изображение другой гетероструктуры, напоминающей пирамидку показано на рис. 12 б. Эта пирамидка из атомов германия образовалась, когда были созданы условия для прилипания атомов германия друг к другу на поверхности подложки из кремния.

  Гетероструктуры, аналогичные тем, что показаны на рис. 12, назвали «квантовыми точками». Своими свойствами они напоминают атомы – «искусственные атомы» имеющие наноразмеры. Ведь электроны в атомах, переходя с одной орбиты на другую, тоже излучают квант света строго определённой частоты. Но в отличие от настоящих атомов, внутреннюю структуру которых и спектр излучения мы изменить не можем, параметры квантовых точек зависят от нас.

Оказалось, что длина волны, излучаемая квантовой точкой, пропорциональна её размеру. Чем больше размер квантовой точки, тем меньшую частоту она излучает. Похожая ситуация и у математического маятника – чем больше длина нити, тем меньше частота его собственных колебаний. Таким образом, если сделать по одинаковой технологии квантовые точки разных размеров и сделав взвесь, поместить их в разные пробирки, то эти пробирки будут светиться разным светом, хотя все они облучаются монохроматическим светом одной длины волны (см. рис. 13).

Рисунок 13. Зависимость цвета, которым светятся квантовые точки, от их размера.

Сейчас разработан метод самосборки квантовых точек из атомов и молекул в растворе. Например, реакция между ионами кадмия и селена, идущая в присутствии органических молекул, приводит к образованию квантовой точки (см. рис. 14).

Рисунок 14. Самосборка квантовой точки (слева направо), происходящая при реакции ионов кадмия (фиолетовые шарики) и селена (зелёные) в присутствии органических молекул (красные с голубыми хвостиками). Взято из Scientific American, 2001, Sept, p. 46.

Квантовые точки уже сейчас являются удобным инструментом для биологов, пытающихся разглядеть различные структуры внутри клеток. Дело в том, что различные клеточные структуры одинаково прозрачны и не окрашены. Поэтому, если смотреть на клетку в микроскоп, то ничего, кроме её краёв и не увидишь. Чтобы сделать заметной определённую структуру клетки, биологи попросили физиков «пришить» к квантовым точкам молекулы, которые прилипали именно к данной внутриклеточной структуре (см. рис. 15).

Рисунок 15. Схематическое изображение (слева вверху) квантовой точки (QD), к которой пришиты молекулы, способные прилипать только к поверхности определённого состава. Внизу показана суспензия квантовых точек разного диаметра.

Были сделаны квантовые точки трёх размеров. К самым маленьким, светящимся зелёным светом, приклеили молекулы, способные прилипать к микротрубочкам, составляющим внутренний скелет клетки. Средние по размеру квантовые точки могли прилипать к мембранам аппарата Гольджи, а самые крупные – к ядру клетки. Когда клетку окунули в раствор, содержащий все эти квантовые точки, и подержали в нём некоторое время, то они проникли внутрь и прилипли туда, куда могли. После этого клетку сполоснули в растворе, не содержащем квантовых точек, и положили под микроскоп. Как и следовало ожидать, вышеупомянутые клеточные структуры стали разноцветными и хорошо заметными (рис. 16).

Рисунок 16. Раскрашивание разных внутриклеточных структур в разные цвета с помощью квантовых точек. Красное – ядро; зелёные – микротрубочки; жёлтый – аппарат Гольджи.