Открытые сорок лет назад квантовые точки нобелевский лауреат Жорес Алфёров назвал искусственными атомами. Как показала практика, управляя их свойствами, можно достичь фантастических результатов. Доцент, кандидат физико-математических наук Алексей ЦИПОТАН из Сибирского федерального университета работает с коллоидными квантовыми точками для того, чтобы создать интегральный детектор ультрафиолетового излучения. «Поиск» поинтересовался у молодого ученого, удостоенного за свои исследования гранта Президента РФ, что такое квантовые точки и как их применять с пользой для людей.
— Квантовая точка — это, по сути, фрагмент проводника или полупроводника размером в несколько нанометров, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям, — начинает рассказ Алексей Ципотан. — Этот фрагмент очень мал, и в нем проявляются квантовые свойства, которые можно использовать на практике.
Квантовые точки впервые (в начале 1980-х годов) синтезировали советский ученый Алексей Екимов (в стекле) и американец Луи Брюс (в коллоидных растворах). Соответствующая теория была представлена также отечественным ученым Александром Эфросом в 1982 году. Екимов, Эфрос и Брюс за открытие квантовых точек в 2006-м были награждены премией Р.В.Вуда. А термин «квантовая точка» предложил американский физик Марк Рид.
В стекле квантовые точки напоминают тесто с изюмом. Если говорить о коллоидных растворах, то в качестве среды выступает жидкость, в которой распределены отдельные частицы, капли или пузырьки, имеющие размер хотя бы в одном из измерений от одного до 1000 нанометров. Примеры коллоидного раствора: молоко, то есть взвесь частичек жира в воде, дым — взвесь твердых частиц в газе, туман — взвесь жидких частиц в газе. Эпитаксиальные квантовые точки получают напылением полупроводника в виде островков на подложку.
Энергетический спектр квантовой точки зависит от ее размера. Аналогично переходу между уровнями энергии в атоме при переходе электронов между энергетическими уровнями в квантовой точке может излучаться или поглощаться фотон. Частотами переходов, то есть длиной волны поглощения или люминесценции, легко управлять, меняя размеры квантовой точки.
— А зачем это нужно делать и как можно использовать?
— Зависимость энергетического спектра от размера дает огромный потенциал для практического применения квантовых точек. Они уже используются в оптоэлектрических системах: это светоизлучающие диоды и плоские светоизлучающие панели, лазеры, ячейки солнечных батарей и фотоэлектрических преобразователей, а также биологические маркеры. То есть квантовые точки можно применять везде, где требуются варьируемые, перестраиваемые по длине волны оптические свойства. А относительная простота методов синтеза коллоидных квантовых точек позволяет производить их в промышленных масштабах, что очень важно при внедрении новых элементов оптикоэлектрических систем.
— Как выглядит процесс создания квантовых точек?
— Коллоидные квантовые точки изготавливаются с помощью химической реакции. Атомы соединяются друг с другом, образуя сферы диаметром 2-10 нанометров. Каждая из них состоит из тысяч и даже сотен тысяч атомов. Чем дольше идет химическая реакция, тем крупнее становится квантовая точка. То есть, задавая определенное время реакции, мы регулируем размер квантовой точки. Для полупроводниковых материалов это означает возможность управлять эффективной шириной запрещенной зоны.
Есть еще одно принципиальное свойство, отличающее коллоидные квантовые точки от традиционных полупроводниковых материалов, — это возможность существования в виде растворов. Это свойство значительно расширяет возможности манипулирования. Раствор можно поместить в кювету, высушить на подложке, смешать с другим раствором и получить тонкую пленку. Все это делает квантовые точки привлекательными для различных технологий.
Процесс изготовления коллоидных квантовых точек достаточно подробно расписан во многих научных работах. Но при самостоятельном изготовлении есть проблемы с созданием образцов, одинаковых по своим свойствам. Мы решили, что лучшим будет покупать уже приготовленные квантовые точки с аттестованными свойствами. Они обычно продаются в виде порошка. Его получают, высушивая водный раствор, в котором приготовили квантовые точки.
В ходе подготовки к эксперименту мы растворяем эти порошки в дважды дистиллированной воде и помещаем в кварцевую кювету. В качестве источника УФ используем ртутную лампу, которая светит в широком диапазоне длин волн. При необходимости используем светофильтры, чтобы выделить нужный нам диапазон длин волн (УФ или видимый). Контроль интенсивности проводим с помощью измерителя мощности, а в качестве оптических свойств используем спектры поглощения и люминесценции, которые измеряются через разные промежутки времени эксперимента.
— Каким образом коллоидные квантовые точки могут служить интегральным детектором ультрафиолетового излучения?
— Существует достаточно большое количество детекторов ультрафиолетового излучения, и их точность определяется областью применения. Как и все остальные детекторы излучения, их принято разделять на два класса: фотодетекторы и термодетекторы. В первых происходит поглощение фотонов материалом детектора, затем фотоны взаимодействуют с электронами, и в результате происходит изменение свойств устройства. Обычно изменяется электрическое сопротивление, что можно заметить, измеряя напряжение или силу тока в цепи.
В термодекторах поглощенные фотоны своей энергией нагревают элемент датчика. Это может приводить к изменению сопротивления цепи, в которую включен датчик, или возникновению электрического тока в случае использования термопары в качестве поглощающего элемента. Тут следует отметить, что все детекторы позволяют определить мощность УФ-излучения «здесь и сейчас».
Но для биологических приложений важнее измерять полученную дозу, а не мощность УФ в данный момент времени. Для этого необходим интегральный детектор. Медицинские и биологические исследования показывают, что ультрафиолетовое излучение пагубно влияет на здоровье человека, вызывая от простого солнечного ожога до рака кожи. При этом определяющий фактор негативного воздействия на живой организм не интенсивность УФ, а полученная доза облучения по аналогии с полученной дозой радиации.
Поэтому при работе на опасных производствах, где существует риск облучения ультрафиолетом, есть потребность в детекторе, который показывал бы накопленную дозу, например, за рабочий день. Такой детектор можно назвать интегральным, так как он сохраняет в себе сумму всех одномоментных значений интенсивности УФ-излучения за определенный период.
Выбор коллоидных квантовых точек в качестве основы для такого детектора обусловлен, во-первых, их стабильностью при облучении видимым и ИК-диапазонами, во-вторых, изменением их оптических свойств при облучении УФ. Это важно для того, чтобы регистрировать только ультрафиолетовое воздействие. Чем дольше квантовые точки подвержены воздействию УФ-излучения, тем сильнее изменяется их спектр поглощения, то есть уменьшается поглощательная способность. Таким образом, по изменению оптических свойств квантовых точек в конце рабочего дня можно определить полученную дозу и дать рекомендации, например, по улучшению рабочей обстановки.
— Как вы считаете, насколько будут востребованы результаты вашей работы?
— Сейчас растет потребность в повышении качества жизни и здоровья сотрудников на опасных производствах. Источниками ультрафиолетового излучения на производстве чаще всего становятся автогенное пламя, электрические дуги и ртутно-кварцевые горелки. Подвержены этому излучению медицинский персонал, который работает с ртутно-кварцевыми лампами при стерилизации помещений, а также технический персонал, который дезинфицирует воду, продукты, и работники производств, где занимаются плавкой металлов и минералов с высокой температурой плавления на электрических, диабазовых, стекольных и других плавильных установках. Поэтому потребность в интегральных детекторах УФ-излучения будет расти. Я тружусь над тем, чтобы результаты моих исследований стали основой устройства, которое будет приносить пользу людям. В целом работы по нашей теме можно считать завершенными.
Мы уже доказали возможность создания интегрального детектора на основе коллоидных квантовых точек. Дальнейшие планы также связаны с оптикой или, если говорить шире, с фотоникой. Очень важными считаю исследования в области дистанционного детектирования вредных газов, что напрямую связано с экологией. Это направление также может использовать квантовые точки, например, для определения наличия в водных растворах вредных токсинов и тяжелых металлов. В дистанционном детектировании нельзя использовать квантовые точки, но их можно применять в качестве детекторов, например, в растворах.
Также планирую заняться приложением фотоники в области агропромышленности. Здесь много перспектив. Достаточно привести в пример фитолампы, которые уже используются для выращивания растений в теплицах зимой и рассады на подоконнике для дачи.
Фирюза Янчилина
Нет комментариев