Nobelova cena za objev kvantových teček

O komentář jsme požádali doktora Pavla Galáře z Ústavu fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha.

Letošní Nobelovu cenu za chemii obdrželi za objev a přípravu kvantových teček Alexei I. Ekimov, Louis E. Brus a Moungy. G. Bawendi.

Základní vlastnosti pevných látek jsou do značné míry dány jejich chemickým složením a strukturou. Až na výjimky (např. elektrická vodivost) jsou tyto vlastnosti obtížně modifikovatelné, což omezuje rozsah využití těchto látek. Jednou z cest, jak překlenout tento nedostatek, je snížení velikosti objektů pod hodnotu tzv. Bohrova poloměru excitonu pro danou látku (od 2 do 50 nm). V takto malých objektech, kvantových tečkách, se začnou projevovat efekty spojené s přítomností kvantového-rozměrového jevu (z angl. Quantum Confinement effect), které spolu s rostoucím vlivem povrchu vedou k významným změnám základních vlastností dané látky. Přestože vliv velikosti objektů na jejich fyzikální vlastnosti byl teoreticky předpovězen již v 1. polovině minulého století, experimentálně ho nezávisle na sobě prokázali až první dva laureáti letošních Nobelových cen za chemii Alexei. I. Ekimov (1981) a L. E. Brus (1983) s využitím binárního polovodiče CdSe. Moungy G. Bawendi byl oceněn za objev chemického postupu, který umožňoval kontrolovatelnou přípravu kvantových teček CdSe vysoké kvality a laditelné velikosti.

Při snížení velikosti kvantové tečky pod Bohrův poloměr excitonu dojde ke stlačení elektronu v omezeném prostředí, což je doprovázeno růstem neurčitosti hybnosti elektronu (relace neurčitosti) a vazebné energie excitonů. To způsobí změnu zásadních parametrů látky, jako je energetická distribuce elektronových stavů či šířka a typ zakázaného pásu. Kvantové tečky polovodičů tedy vykazují laditelnou vlnovou délku emisního záření, a to mnohdy přes celý viditelný interval. Aplikační potenciál tohoto jevu sahá od světelných zdrojů (LED, televize atd), fotovoltaiky (světelné kolektory), energetiky, biologického zobrazování až po lékařskou praxi (detekce rakoviny). Vlastnosti kvantových teček také ovlivňuje jejich povrch, na kterém se mohou nacházet až desítky procent atomů celého objektu. Především u kvantových teček obsahujících kovalentní vazby (Si) lze proto specifickou povrchovou úpravou ladit jejich vnitřní vlastnosti podobně jako změnou jejich velikosti. Spojením těchto dvou parametrů (povrch + velikost) lze u kvantový teček měnit jejich mechanické vlastnosti, teplotu tání, krystalizační teplotu, chemickou reaktivitu, již zmíněné optické vlastnosti a mnoho dalších parametrů, což dále rozšiřuje možnosti jejich uplatnění a podtrhuje význam těchto struktur. Právě za jejichž objev a přípravu byla udělena letošní NC za chemii.

Od publikace prvních prací se technologie kvantových teček významně rozvinula. V současné době existuje nepřeberné množství postupů přípravy těchto nanostruktur. Mezi nejvýznamnější stále patří metody využívající chemické cesty, epitaxní a pyrolytické postupy nebo metody využívající netermálního plazmatu. Největší uplatnění našly polovodičové kvantové tečky, jelikož vlastnosti polovodičů jsou určeny právě polohou okrajů valenčního a zakázaného pásu, a poté kvantové tečky vzácných kovů (zlato, stříbro), u kterých můžeme změnou velikosti měnit vlastnosti plazmonových rezonancí. Na VŠCHT se například zabýváme přípravou, povrchovou úpravou a aplikací křemíkových kvantových teček. Křemíkové kvantové tečky totiž, na rozdíl od svých objemových alternativ, vykazují efektivní generaci světla a za určitých povrchových úprav mohou vykazovat přímý zakázaný pás.

Pavel Galář, Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha