sotrud.ru 1

новые технологии

127
Методы получения 
и применения квантовых точек
Так сложилось исторически, что с квантовыми точками человечество 
познакомилось намного раньше, чем с любыми другими нанообъектами. 
В Средние века металлические наночастицы входили в состав красок, 
использующихся для окраски витражных стекол. Однако вряд ли сред-

Виталий ГрибачеВ
невековые мастера подозревали, что именно мельчайшие наночастицы 
reshebnik@rambler.ru
металлов придают стеклам столь насыщенный и яркий оттенок.
Другим дошедшим до нас из древности 
остается подскок в зону проводимости с по-
интересным применением нанотех-
глощением кванта энергии и возвращение 
нологий является способ окраски во-
обратно с излучением кванта. Мы получим 
лос путем формирования в структуре волоса 
квантовую точку.
наночастиц черного сульфида свинца, раз-
Гетероструктуры GaAs – AlGaAs являются 
мером около 5 нм. Не исключено, что этим 
хорошим материалом для квантовых точек, 
способом пользовалась сама Клеопатра. 
поскольку параметры кристаллической ре-
Любопытно, что такой способ окраски во-
шетки у этих полупроводников очень близ-
лос, несмотря на токсичность соединений 
ки, и весь нанокристалл в целом получается 
свинца, вполне соответствует современным 
с минимальным  количеством  дефектов, 
подходам, так как в состав многих современ-
что в свою очередь сказывается на всех про-
рис. 1. Формирование гетероперехода  
ных красок для волос входит ацетат свинца, 
чих физико-химических свойствах кристалла 
между полупроводниками  
который, проникая внутрь структуры воло-
с различной шириной запрещенной зоны
самым положительным образом.
са, преобразуется в сульфид свинца, прида-
Кроме GaAs, в качестве материала для кван-
ющий волосам насыщенный черный цвет. 

товых точек может использоваться огромное 

Рецепт, которым пользовались древние греки 
Электроны валентной зоны из области  количество разнообразных веществ, в том чис-
и египтяне, был достаточно простым. Оксид  GaAs не могут попасть в область AlGaAs бла-
ле CdSe, ZnSe, CdTe, CdS, ZnS, InAs, InP, Si и т. д. 
свинца смешивали с гидроксидом кальция  годаря наличию потенциальной ступеньки.  Варьируя материал и условия техпроцессов, 
(гашеной известью) и водой до получения  Электроны GaAs могут свободно двигать-
можно получать широкий спектр частиц, разли-
пасты, затем пасту втирали в волосы. Ионы  ся по всем направлениям кроме перехода  чающихся как размерами, так и физико-хими-
свинца вступали в реакцию с серой, содер-
в AlGaAs. Таким образом, можно считать,  ческими свойствами. Внешний вид квантовых 
жащейся в кератине волоса, что приводило  что электроны в зоне гетероперехода GaAs –  точек также существенно зависит от условий 
к образованию сульфида свинца. Щелочь  AlGaAs образуют двумерный электронный газ.
их получения. На данный момент существуют 
была необходима для высвобождения серы 
Если мы добавим еще один гетеропере-
несколько способов производства КТ.
из цистеина — аминокислоты, которая вхо-
ход с левой стороны, как показано на рис. 2, 
дит в состав белка кератина. Можно сказать,  то получим квантовую яму, в которой дви-
Метод  
что древние люди овладели начальными на-
жение электронов оказывается ограничен-
молекулярно-лучевой эпитаксии
выками практического применения кванто-
ным по всем пространственным координа-
вых точек. Однако следует отметить, что да-
там. Поскольку движение электронов ока-
Этот метод позволяет выращивать КТ 
леко не всякая наночастица является кванто-
зывается пространственно ограниченным,  на тщательно очищенных подложках (рис. 3). 
вой точкой.

единственной степенью свободы для них  В условиях глубокого вакуума на подложку 

Квантовой точкой (КТ) может считать-
ся любой кусочек полупроводника, огра-
ниченный по всем трем пространственным 
координатам, размеры которого достаточ-
но маленькие для того, чтобы проявления 
квантовых эффектов были существенными. 
В большинстве случаев решающим фактором 
для создания квантовой точки является на-
личие трехмерной потенциальной ямы, в ко-
торой носители заряда оказываются заперты 
по всем трем пространственным координа-
там. Образование трехмерной потенциальной 
ямы можно рассмотреть на примере полу-
проводникового гетероперехода между GaAs 
рис. 2. Формирование квантовой ямы между полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны
и AlGaAs, изображенного на рис. 1.
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2009

www.kite.ru


128
новые технологии

углерода ССl4. В результате экспериментов  эмпирически подбирать параметры техно-
было показано, что в диапазоне температур  логического процесса. В противоположность 
рабочей области 430…650 °С наиболее ка-
этому, литографические и эпитаксиальные 
чественные гетероструктуры выращивались  методы исторически более отработаны, одна-
при рабочей температуре около 580 °С и ле-
ко для получения КТ этими методами необхо-
гировании ССl4. Интенсивность фотолюми-
димы подложки и дорогостоящее вакуумное 
несценции таких КТ была на порядок выше,  оборудование, что приводит к существенному 
рис. 3. Выращивание КТ методом  
молекулярно-лучевой эпитаксии
чем у контрольных образцов. Показано, что,  удорожанию всего технологического процесса 
изменяя различным образом параметры  производства.
процесса роста квантовых точек InAs/GaAs, 
Наличие квантовой ямы и запертых в ней 
направляют поток атомов или молекул, по-
можно в широких пределах управлять пара-

электронов делает КТ необычайно удобным 

лучаемый испарением вещества со специаль-
метрами получаемых КТ.
объектом для целого ряда практических при-
но подготовленных источников. Если в ка-
ложений. Прежде всего, здесь нужно упомя-
честве источников по очереди использовать  Метод коллоидного синтеза
нуть использование КТ в светоизлучающих 
вещества с различной шириной запрещен-
конструкциях. Большинство современных 
ной зоны, можно вырастить на подложке ха-
Сборка КТ методом коллоидного синтеза  полупроводниковых лазеров для генерации 
рактерную «пирамидку».
осуществляется в жидкой фазе. Например,  излучения используют двойную гетерострук-
Этот метод был достаточно хорошо отра-
для коллоидного синтеза нанокристалов CdSe,  туру, при которой слой полупроводника с уз-
ботан еще при производстве полупроводни-
диметил кадмия и селеновую пудру раство-
кой шириной запрещенной зоны помещается 
ковых структур и на данный момент наиболее  ряют в триалкилфосфине, затем полученную  между двумя слоями с широкой запрещен-
распространен. Особенно качественные КТ   смесь впрыскивают в разогретый до темпера-
ной зоной. Движение электронов в них про-
получаются при подборе исходных веществ  туры 350 °С триоктилфосфин. Выращивание  странственно ничем не ограничено, кроме, ра-
с наиболее близкими периодами кристалли-
зародышей нанокристаллов происходит  зумеется, потенциальных барьеров, и, таким 
ческой решетки. Однако здесь следует отме-
при температуре 280…300 °С. Управляя пара-
образом, основное влияние на эти системы 
тить, что характерные «пирамидки» растут  метрами технологического процесса, можно  оказывают квантовые размерные эффекты. 
на подложке, только если периоды кристал-
менять условия роста и получать нанокрис-
Чем меньше геометрические размеры актив-

лической решетки существенно различаются.  таллы различного диаметра и формы [3].  ной области, тем больший градиент плотнос-

В этом случае на границе соприкосновения  Увеличение концентрации исходных веществ  ти состояний можно создать. Лазеры с кванто-
материалов появляются упругие напряжения,  и температуры приводит к формированию  во-размерной активной областью позволяют 
которые заставляют атомы осаждаемого ве-
нанокристаллов более крупных размеров  получать генерацию в непрерывном режиме 
щества собираться в «капли» и «островки»,  и с большей скоростью. Плавная подача в ре-
при комнатной температуре и уменьшить по-
поскольку такая конфигурация осаждаемо-
актор компонентов исходной смеси и более  роговый ток начала генерации до величин по-
го слоя становится более энергетически вы-
низкая температура приводит к формиро-
рядка 50 А/см2. Другая особенность КТ в том, 
годной, чем равномерное распределение.  ванию мелких нанокристаллов сферической  что они не имеют состояний, которые не при-
Свойства получаемой структуры зависят  формы. При необходимости, подбором техно-
нимают участия в генерации излучения, 
от конкретных условий используемого тех-
логических параметров можно добиться роста  но при этом содержат электроны. Это приво-
процесса: степени чистоты материалов, их фи-
нанокристаллов в определенных направле-
дит к уменьшению потерь энергии накачки 
зико-химических свойств, совершенства крис-
ниях. Таким способом удается сформировать  и позволяет уменьшить пороговый ток.
таллической структуры подложки, температу-
нанокристаллы в форме многоугольников 
Частота генерации может легко меняться 
ры, при которой проходит процесс, и т. д.
и даже тетраподов.
в зависимости от размера выращенных нано-
В большинстве случаев все эти парамет-
На заключительном этапе производства КТ  частиц. Таким образом, лазеры на КТ облада-
ры подбираются экспериментальным путем.  полученные нанокристаллы сверху покрыва-
ют бóльшим коэффициентом усиления, бо-

Для серийного производства КТ путем мо-

ют материалом с широкой запрещенной зо-
лее высокой рабочей температурой, для них 
лекулярно-лучевой эпитаксии важно, что-
ной, например ZnS или CdS. Для этого в реак-
необходима меньшая пороговая плотность 
бы геометрические размеры получаемых КТ  ционную смесь медленно добавляют раствор,  тока, ими легче управлять, чем традицион-
были по возможности наиболее близкими.  содержащий диэтил цинка Zn(Et)2 и триме-
ными полупроводниковыми лазерами.
На данный момент разработаны техпроцес-
тилсилансульфид (CH3)3Si-S-Si(CH3)3.
Характерные особенности КТ — весь-
сы, при которых получаемые КТ различают-
На данный момент КТ можно получать  ма широкий спектр поглощения и узкий 
ся по размерам всего в пределах 2–3% [1].
и другими хорошо отработанными методами,  спектр излучения, благодаря чему удается 
например литографией. Кроме того, разра-
строить флюоресцирующие системы в ши-
Мосгидридная газофазная 
ботано много современных и даже в некото-
роком диапазоне от УФ до ИК частей спект-
эпитаксия
рой степени экзотических методов, например,  ра. В настоящее время ведутся исследования 
формирование металлических КТ методом  по разработке газоразрядных источников све-
При мосгидридной газофазной эпитаксии  электрохимической кристаллизации [4]  та на основе кластеров тугоплавких металлов. 
(МОСГЭ) гетероструктуры выращиваются  или получение КТ методом электропорации  Утверждается, что интенсивность излучения 
в газофазном реакторе при атмосферном  везикул [5]. Бесспорным преимуществом ме-
газоразрядных источников на основе воль-
давлении. Газовой фазой в таких реакторах  тода коллоидного синтеза является возмож-
фрамовых или молибденовых КТ намного 
обычно является горячий поток водорода,  ность массового производства квантовых  больше, чем интенсивность излучения тради-
смешанный с атомами осаждаемого вещест-

точек в любых необходимых количествах.  ционных ртутных люминесцентных ламп.

ва. В одном из экспериментов [2] в качестве  Возможность гибкого управления техноло-
На основе КТ можно изготавливать свето-
источников полупроводниковых молекул  гическими параметрами производственного  диоды повышенной яркости, а также специ-
использовались арсин, а также триметилгал-
процесса позволяет получать КТ с небольшим  альные покрытия для существующих источ-
лий или триметилиндий. Для формирования  разбросом геометрических параметров и ши-
ников света, корригирующие спектр излуче-
КТ триметилгаллий и арсин подавались в ре-
роким спектром поглощения. К недостаткам  ния. Не секрет, что люминесцентные лампы 
актор поочередно. Кроме того, в качестве ле-
этого метода следует отнести относительную  обладают слишком «холодным» спектром из-
гирующей примеси использовался хлорид  новизну и необходимость во многих случаях  лучения. Многочисленные попытки откоррек-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2009


новые технологии
129
тировать спектр с помощью светофильтров  нанокомплексы оказываются комплиментар-
вать в смеси присутствие каких-либо опасных 
и специальных отражателей серьезного успеха  ны соответствующим антигенам. После этого  веществ, например гексогена.
до сих пор не имели. В исследовании Майкла  микрочип просматривают под микроскопом. 
Пожалуй, наиболее многообещающим на-
Бауэрса из университета Вандербильта [6] по-
Поскольку цвет наночастиц существенно за-
правлением исследования применения КТ сле-
казана возможность создания полимерного  висит от их размера, в тех ячейках, где произо-
дует считать возможность создания на их осно-
покрытия из смеси КТ с полиуретаном, кото-
шло связывание, изменяется цвет. Процедура  ве квантовых компьютеров. Как известно, кван-
рое позволяет сдвигать спектр излучения си-
может быть автоматизирована с помощью ко-

товый компьютер является вычислительным 

него светодиода в желтую сторону, делая его  лориметрических анализаторов [10]. Процесс  устройством, которое в процессе своих вычис-
похожим на спектр излучения традиционных  проведения такого анализа  занимает счита-
лений использует преимущественно такие 
ламп накаливания.
ные минуты. За это время можно будет про-
квантовомеханические эффекты, как кванто-
КТ  можно  использовать  практически  тестировать весь геном человека на большинс-
вый параллелизм и запутанность. По аналогии 
во всех сферах, в которых нашли широкое  тво известных генных аномалий или провести  с обычной информатикой за элементарную 
применение современные полупроводники,  моментальную идентификацию какого-либо  единицу информации в квантовых вычисле-
например, в области производства высоко-
инфекционного агента, что особенно актуаль-
ниях принимается кубит. Квантовый кубит 
производительных солнечных батарей, све-
но в условиях массовых эпидемий.
является квантовой системой, которая может 
тоизлучающих и фотодиодов, фотодетекто-
В биологических исследованиях наноком-
принимать два состояния — 0 и 1. Это могут 
ров и даже одноэлектронных транзисторов.  плексы на основе КТ могут использоваться  быть, например, два электрона с противопо-
Однако специфические особенности КТ зна-
для окрашивания и визуализации различных  ложно направленными спинами. Несколько 
чительно расширяют спектр их применения.  внутриклеточных структур, которые в норме  связанных между собой кубитов образуют 
Флюоресцирующие маркеры на основе КТ  прозрачны и под микроскопом не видны.
элементарную вычислительную ячейку — ре-
можно использовать для получения изобра-
Однако до широкого практического внедре-
гистр. Преимущество квантовых вычислитель-
жения глубоко залегающих тканей. Например,  ния данных технологий необходимо решить  ных систем заключается в том, что благодаря 

если ввести внутривенно взвесь квантовых  еще много технологических проблем. Прежде  принципу запутанности, изменяя состояние 

точек с зеленым спектром излучения, то че-
всего, вопрос токсичности. На данный мо-
одного кубита в регистре, мы можем без до-
рез кожу станет видна сеть кровеносных со-
мент совершенно неясно, как поведут себя  полнительных затрат энергии и тактов процес-
судов в виде характерного зеленого «деревца».  полупроводниковые КТ в организме в дол-
сора изменить состояние всех других кубитов 
Таким образом можно легко диагностировать  госрочной перспективе, поскольку большин-
в регистре и тем самым получить возможность 
поврежденные сосуды и аневризмы.
ство химических соединений, используемых  использовать всю мощь квантового паралле-
В настоящее время разрабатываются ме-
для производства КТ, для человеческого  лизма в вычислениях.
тодики снабжения КТ антителами, имею-
организма токсичны. Однозначных иссле-
Допустим, у нас есть квантовая система из L 
щими сродство к поверхностным антигенам  дований на эту тему проведено очень мало.  двухуровневых квантовых кубитов. Такая 
опухолевых клеток [7]. При этом возможно  Кроме того, сложно подобрать хорошие лин-
система может иметь 2L независимых состо-
несколько вариантов использования дан-
керы, которые могли бы достаточно прочно  яний и, таким образом, за счет квантового 
ной технологии. Комплекс «КТ – антитело»  связывать с КТ различные антитела или ле-
параллелизма выполнять параллельно 2L опе-
можно использовать для обнаружения опу-
карственные  препараты  и освобождать  раций. Так как все состояния являются запу-
холевых клеток в организме и визуализации  их по мере надобности.
танными, то есть квантовомеханически свя-
их. Благодаря узкому спектру излучения КТ, 
Активные исследования в этой области про-
занными, состояния всех кубитов в регистре 
их люминесценцию легко отличить от ес-
должаются. Поэтому на данном этапе наи-
меняются одновременно. Теоретически такой 

тественных излучений человеческого тела.  большее применение КТ находят в технике.  компьютер будет работать в экспоненциаль-

Если комплекс «КТ – антитело» снабдить  Уже созданы прототипы ярких и гибких дис-
ное число раз производительнее, чем класси-
магнитными или золотыми наночастицами,  плеев на КТ. Благодаря высокому квантовому  ческий. За последние годы в качестве канди-
то, кроме визуализации опухолевых клеток,  выходу (до 70%), по контрастности и яркости  датов на физическую реализацию предложе-
возможно безоперационное уничтожение  такие дисплеи будут значительно превосхо-
но множество различных квантовых систем, 
их путем теплового нагрева [8]. Если же ком-
дить существующие жидкокристаллические.  в том числе спиновые состояния электронов, 
плекс «КТ – антитело – магнитная наночас-
Интересное применение КТ предложено уче-
сверхпроводящие кольца с противоположно 
тица» снабдить молекулярными захватами  ными из Израиля [11]. Они создали наноком-
направленными токами, замысловатые по-
[9], то такой наноманипулятор сможет эф-
плексы из полупроводниковых КТ CdSe/ZnS,  лупроводниковые структуры. В некоторых 
фективно захватывать опухолевые или бак-
связанных с никотинамид аденин динуклео-
последних разработках в качестве физической 
териальные клетки в кровотоке и доставлять  тидом (NAD+), который является универсаль-
основы для реализации кубитовых регистров 
их к точке сбора, находящейся, например,  ным акцептором электронов и обладает спо-
используют квантовые точки [12].
на диализной мембране.
собностью гасить фотолюминесценцию КТ. 
Подбирая размеры КТ и количество ато-
Комплексы «КТ – антитело» могут быть ис-
Таким образом, возбужденный внешним из-
мов в них, можно добиться состояния, когда 
пользованы в так называемых «лабораториях  лучением электрон в КТ, переходит на NAD+  КТ содержит всего один свободный элект-
на чипе». На каждом квадратном миллиметре  и восстанавливает его, что не позволяет элек-

рон. Располагая на подложке такие КТ доста-

такого устройства размещаются сотни ячеек  трону вернуться на нижний уровень КТ с ис-
точно близко друг от друга, можно добиться 
с комплексами «КТ – антитело» или комплек-
пусканием кванта света. Если нанокомплексы  того, что электроны в них начнут взаимо-
сами «КТ – РНК». Каждый из таких комплек-
присутствуют в растворе, где проходит реак-
действовать своими спинами и окажутся 
сов специфичен для своего участка ДНК, если  ция, сопровождающаяся процессами окисле-
квантовомеханически связанными. Тогда 
производится генная диагностика и использу-
ния, или присутствуют доноры электронов,  меняя с помощью лазерного импульса состо-
ется комплекс «КТ – РНК», или для какого-ни-
то интенсивность свечения КТ увеличивается,  яние одного из электронов, можно влиять 
будь антигена бактериального или вирусного  так как связанные с нанокомплексами NAD+  на состояние спина электронов всех осталь-
происхождения, если микрочип используется  перехватывают электроны, а восстановлен-
ных КТ в квантовом регистре. Существуют 
для детектирования инфекции.
ный NADН фотолюминесценцию не гасит.  различные варианты этой технологии [13]. 
После нанесения на чип капли исследуемой  Авторы утверждают, что по изменению ин-
Периодически на технических выставках 
крови происходит избирательное связывание  тенсивности фотолюминесценции можно  даже демонстрируются вроде бы работаю-
антигенов с наночастицами в тех ячейках, где  с высокой степенью достоверности распозна-
щие прототипы, однако до массового про-
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2009
www.kite.ru


130
новые технологии
изводства квантовых чипов по-прежнему очень далеко, поскольку,  Литература
несмотря на крайне заманчивые перспективы реализации квантовых 

компьютеров, их практическая реализация все еще остается трудно  1.  Alchalabi K., Zimin D., Kostorz G., Zogg H. Self-assembled semiconductor 

достижимой. Главным образом, это происходит из-за неустойчивос-
quantum dots with nearly uniform sizes // Phys. Rev. Lett. 90 026101-4. 2003.
ти квантовых состояний и технологических трудностей.
2.  Ченг Л., Плог К. Молекулярно-лучевая эпитаксия. М.: Мир, 1989.
Постепенно, с течением времени выяснилось, что КТ являются хо-
3.  Elghanian R., Storhoff J. J., Mucic R. C., Letsinger R. L., Mirkin C. A. Selective 
рошей физической моделью для изучения поведения реальных ато-
colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical 
мов вещества. В некоторых случаях их даже называют искусственны-
properties of gold nanoparticles // Science, 1997, V. 277.
ми атомами. В принципе, КТ можно попытаться собрать в некоторое  4.  http://ifttp. bas-net. by/files/ftt2005/2_371.pdf
подобие вещества, и такие эксперименты успешно проводятся [14].
5.  Mariano C. N., Hongguang Z., Schelly Z. A. J. Amer. Chem. Soc. 2000. 122, № 27.
Таким образом, потенциальная сфера применения КТ огромна и про-
6.  http://www.membrana.ru/lenta/?5273
должает расширяться. Однако если говорить о практическом примене-
7.  http://www.nanonewsnet.ru/news/2007/ 
нии КТ, можно отметить, что существует ряд принципиальных трудно-
rnk-terapiya-s-pomoshchyu-samonavodyashchikhsya-kvantovykh-tochek
стей, которые сильно ограничивают практические разработки.
8.  http://www.vertigo.ru/patients/new. asp?pr=1&id=2554
Прежде всего, это сложности технологического характера. Подбор  9.  http://www.nanonewsnet.ru/news/2009/mikroskopicheskii-khirurg
состава материалов и параметров роста КТ в различных режимах  10.  http://lomo.arbital.ru/site/catalog/view_main. cgi?l0=73&l1=74&cid=74
пока в значительной степени остается эмпирическим. Не удается  11.  http://www.nanometer.ru/2008/12/23/geksogen_55068.html

с уверенностью наладить производство упорядоченных масси-

12.  http://nanotec.invur.ru/index.php?id=1053
вов КТ на подложках. В стадии разработки находятся различные  13.  Schrader D. , Dotsenko I. , Khudaverdyan M. , Miroshnichenko Y. , Rauschen-
нелинейные элементы на КТ. Например, те же одноэлектронные 
beutel A. , Meschede D. Neutral Atom Quantum Register // Phys. Rev. Lett, 
транзисторы. Эти и многие другие технологические вопросы все 
v. 93, 150501. 2004.
еще ждут своего окончательного решения. 
 
 
n
14.  http://www.nsu.ru/asf/news/news1.php?Type=2&seek=20
КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 9 '2009