Квантово-размерный нанокристалл Российский патент 2025 года по МПК B82B3/00 

Изобретение относится к нанотехнологии, наноматериалам, наноструктурам, элементам на-ноэлектроники и нанофотоники и может быть использовано при разработках супер- и фотонных компьютеров, источников излучений и регистраторов в системах передачи информации, в том числе, в условиях криптографии и телепортации, оптической волоконной связи на больших расстояниях, исследованиях наноструктур для астрономии и биомедицины.

Введение

Наиболее изучаемым в нанотехнологии объектом являются наночастицы, с характерными для них размерами менее 100 нм, и, в частности, квантовые точки, под которыми понимают любые наночастицы с размерами менее 10 нм [1]. При этом наиболее интересными, с точки зрения науки и практики, являются полупроводниковые квантово-размерные частицы, размеры которых не более длины волны де Бройля для электрона в полупроводнике [2].

Фундаментальным отличительным свойством квантовых точек является размерное квантование, проявляющееся в свойствах зонной структуры как зависимость энергии электрона от размеров наночастицы. Это проявление наиболее просто наблюдается в оптических свойствах, напрямую связанных со свойствами зонной структуры. Поэтому большинство работ посвящено исследованиям оптических свойств. При этом используется модель размерного ограничения движения экситона - связанного подвижного состояния электрона и дырки. Однако, как показано в работе [2], размерное ограничение движения электрона и экситона являются конкурирующими процессами - специфические оптические свойства, например, фотолюминесценция, проявляется тем хуже, чем лучше параметры размерного квантования в полупроводнике. Поэтому люминесценция относительно легко получаема и хорошо исследована для квантовых точек широкозонных полупроводников - халькогенидов кадмия.

Фундаментальные проявления размерного квантования в квантово-размерной частице связаны с ее проводимостью. В квантовой точке, как квазинульмерном образовании, проводимость определяется перезарядкой наноконденсатора и баллистическим перескоком электрона [3]. Квантово-размерная частица, однако, не является нульмерным образованием, имея свойства протяженной глубокой потенциальной ямы. Ее проводимость носит более сложный характер, определяемый несколькими физическими процессами [4]. Движение электрона внутри квантово-размерной наночастицы рассматривается как установившийся колебательный между ее границами волновой процесс. Квантово-размерный характер проводимости предполагает прохождение физических процессов в совершенной кристаллической структуре наночастицы, называемой в литературе нанокристаллом.

Термин «нанокристалл» появился, видимо, сразу после того, как впервые было названо и опубликовано слово «нанотехнология» (Н. Танигути, 1974). Однако, в литературе он начал широко использоваться не более семи лет назад, когда пошли исследования полупроводниковых наночастиц разной формы. Теме нанокристаллов посвящено несколько обзоров, например, [5]. Особое место в вопросах нанотехнологий, отводится наноэлектронике, как основе становления и развития самых современных направлений цифровых интеллектуальных технологий, например, квантовых компьютеров. В этой связи, в частности, развивается направление химии и физики полупроводниковых нанокристаллов как самостоятельный раздел науки и техники [5, 6]. Принципиальное значение имеет получение требуемых физических свойств нанокристаллов через управление параметрами их технологического синтеза. В самые последние годы в литературе публикуются результаты исследований, обобщающих вопросы и свойства управляемого синтеза полупроводниковых наночастиц [7], в том числе получения нанокристаллов атомарной и кристаллографической точности [8].

Важным преимуществом химической технологии получения наночастиц - коллоидного синтеза - является ее простота исполнения и практическая доступность. Формирование полупроводниковых нанокристаллов протекает в две стадии: быстрого образования большого количества зародышей кристаллов при резком смешивании реагентов, создающем большое локальное пересыщение, и последующего достаточно медленного контролируемого роста этих кристаллов. Природа зарождения и роста нанокристалла регулируется рядом факторов, к которым относят типы прекурсоров, исходные концентрации реагентов, скорость смешивания, температуру синтеза, природу координирующего (сольватирующего) или инертного растворителя, температуру перекристаллизации [9].

Теоретические предпосылки. Принятые условия и ограничения.

При образовании зародышей нанокристаллов в коллоидном растворе и последующих изменениях их состояния действуют термодинамические механизмы, описываемые в простых случаях изменением энергии системы кристалла, выраженным потенциалом (энергией) Гиббса AG. Для гомогенного раствора и сферической формы зародышей [10]:

где: М - молярный объем осаждаемой фазы, а - размер (диаметр) наночастицы, γ* - удельная поверхностная энергия наночастицы, Т - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана, S - энтропия.

В формуле (1) знак «+» отвечает процессу кристаллизации, «-» - растворения. Случай ΔG ~ 0 соответствует критическому размеру зародышей - наименьшему размеру нанокристалла -

При условии, что раствор максимально обеднен осаждаемой фазой (C_sa~M~0), из формулы (1) следует правило оствальдовского созревания - зародыши размеров а<а* растворяются, а а>а* - разрастаются. Необходимо заметить, что при невыполнении условия C_sa~0, процесс может идти по смешанной модели - созревания и кинетики в растворе. Этот случай может реализоваться при использовании несольватирующего растворителя. Сольватация - состояние растворения, когда растворенный элемент готов вступить в реакцию образования зародыша.

Для задачи получения совершенного коллоидного нанокристалла принципиальное значение имеет термодинамическое рассмотрение. Поскольку с ростом нанокристалла его объемная энергия увеличивается, а влияние поверхностной - уменьшается, при некотором размере нанокристалла a_max поверхностная энергия достигнет значений энергии Ван-дер-Ваальса, после чего кристалл будет нарастать неуправляемо, с присоединением атомов и молекул-«чужаков». Для оценок можно принять, что энергия образования нанокристалла Н_обр равна энергии одной электронной связи, умноженной на их число N в нем. Для самого простого варианта кубической решетки (N~(а/a₀)³ пересчет на поверхностную энергию Е_с приведет к пропорции E_c/H_обр~ 6a₀/a_max (а₀ -постоянная решетки нанокристалла). Откуда -

Принимая Е_с как энергию Ван-дер-Ваальса, вычисляемую из расчета нескольких kT (для оценок - трех) на одну связь [11] и числа связей в элементарной, для наших случаев полупроводников кубической, ячейке, можно оценить наибольшее значение Е_с величиной 20 кДж/моль, что примерно соответствует оценкам других авторов, например, [12]. Исходя из этого, можно оценивать наибольший размер совершенного нанокристалла a_max при его самоорганизующем росте в коллоидном растворе.

Движение электрона через нанокристалл описывается решением уравнения Шредингера и дебройлевским волновым процессом. В простом случае одномерного одноэлектронного процесса в глубокой прямоугольной протяженной потенциальной яме на линейной дистанции а (одного из размеров нанокристалла) значения энергии движущегося электрона , длины волны де Бройля для электрона Л могут быть получены в следующем виде [13, 14]:

где: h - постоянная Планка; q - квантовое число; m - эффективная масса электрона в полупроводнике нанокристалла; m₀ - масса «свободного» электрона.

Аналоги и прототип

Известны патентные технические решения по нанокристаллам и способам их синтеза, например, нижеследующие.

US 6322901 - нанокристалл с покрытием, способный излучать свет, включает по существу монодисперсную наночаегицу, выбранную из группы, состоящей из CdX, где x=S, Se, Те, и поверхностное покрытие из ZnY, где Y=S, Se, равномерно нанесенное на него; US 6821337 - способ изготовления нанокристаллита из М-содержащей соли образует нанокристаллит, который может быть членом популяции нанокристаллитов, имеющих узкое распределение по размерам, и может включать один или несколько полупроводниковых материалов; US 7399429 - полупроводниковый нанокристаллический комплекс, а также способ его изготовления, имеет полупроводниковое нанокристаллическое ядро из полупроводникового нанокристаллического материала III-V; US 9748422, US 10276735, WO2009094160 - полупроводниковый нанокристалл включает первый полупроводниковый материал I-III-VI и имеет квантовый выход люминесценции по меньшей мере 10%, по меньшей мере 20% или по меньшей мере 30%; US 8409473 - полупроводниковая нанокристаллическая композиция, а также способ ее изготовления, имеет полупроводниковое нанокристаллическое ядро из легированного полупроводникового нанокристаллического материала I-III-VI группы II; US 1127662 - полупроводниковый нанокристалл, содержащий ядро и оболочку, ядро находится на расстоянии менее 2 нанометров от внешней поверхности оболочки, по меньшей мере, в одной области полупроводникового нанокристалла; US 9139435 - способ изготовления полупроводниковых нанокристаллов включает добавление вторичного халькогенида фосфина к раствору; ЕР 2292718 - переплетенные нанокристаллы, а также способ их изготовления, включающие два или более материалов, дополнительно включающие слой соединения, образованный из двух или более материалов; ЕР 1537263 -полупроводниковая нанокристаллическая гетсроструктура имеет ядро из первого полупроводникового материала, окруженное внешним покрытием из второго полупроводникового материала; SG 189578 - способ синтеза полупроводниковых наночастиц, содержащих элементы групп IB, IIB, IIA, IVA, VA или VIA периодической классификации, где состав сердцевинной наночастицы выбран из группы, состоящей из IB-VIA, VLB-VIA, IIIA-VIA, IB-IIIA-VIA или IB-IIB-IVA-VIA, IIB-IIIA-VIA, IIB WA-VA или их смеси; ЕР 2583672 - нанокристаллы и аморфные наночастицы и способ их получения низкоэнергетическим процессом; WO 2018198137 - полупроводниковый нанокристалл (100), содержащий ядро и оболочку.

Известны патентные решения по способам синтеза квантовых точек, адекватных нанокристаллам, например, нижеследующие.

RU 2381304 - способ получения полупроводниковых квантовых точек на основе халькогенидов металлов II или IV группы, включающий синтез ядер нанокристаллов из прекурсора, содержащего халькоген, и прекурсора, содержащего металл II или IV группы; US 2497746 - способ получения квантовой точки включает смешивание амфифильного полимера, растворенного в некоординирующемся растворителе, с первым предшественником для получения карбоксилатного предшественника, смешивание карбоксилатного предшественника со вторым предшественником для получения ядра квантовой точки, смешивание ядра квантовой точки с предшественником; US 9073751 - способы создания квантовой точки включают: смешивание амфифильного полимера, растворенного в некоординирующий растворитель с первым прекурсором; US-2002066401 - способ синтеза коллоидных нанокристаллов с использованием оксидов металлов или солей металлов в качестве прекурсора; US 2003097976 - способ изготовления полупроводниковых наночастиц с использованием восстановителя или промотора кислородной реакции; US 2003173541 - новые методы синтеза позволяют коррелировать яркость фотолюминесценции (квантовый выход) с некоторыми регулируемыми параметрами роста нанокристаллов, связанными с данной схемой синтеза. PL QY; US 2006110313 - высокотемпературный (порядка 90°С или выше) неводный метод синтеза для получения монодисперсных полупроводниковых наночастиц IV-VI (квантовых точек); WO 2005052996 - способ синтеза квантовых точек включают использование недорогих и коммерчески доступных теплоносителей (таких как Dowtherm® А) в качестве растворителей для синтеза нанокристаллов CdSe; WO 2015075564 - метод формирования квантовой точки, среди прочего, включает: смешивание раствора А с раствором В с образованием раствора С;

В качестве прототипа предлагаемому выбран вариант по заявке US 20160068750 - Нанокристалл, содержащий полупроводниковый материал, содержащий один или несколько элементов группы III_A Периодической таблицы элементов и один или несколько элементов группы V_A, включающий сердцевину и оболочку, расположенную, по меньшей мере, над частью сердцевины и содержащую второй полупроводниковый материал, при этом нанокристалл способен излучать свет, имеющий квантовую эффективность фотолюминесценции, по меньшей мере, около 30%. Кроме того - популяция, композиции и способ получения нанокристаллов.

Аналоги и прототип имеют технические решения для вариантов наночастиц - нанокристаллов - как частного случая квантовых точек. При этом все варианты ориентированы на фотолюминесценцию. Их общим недостатком является узкая направленность применений, что ограничивает также и свойства, и способы, не затрагивая при этом принципиальных для наноэлектроники явлений и свойств.

В предложении данной заявки рассматриваются технические решения для квантово-размерных нанокристаллов с явлениями, определяющими принципиальные свойства элементов наноэлектроники.

Описание предлагаемых технических решений

Предлагается нанокристалл в виде монокристаллического полупроводника, ограниченного наноразмерами a_n так, что состояния инжектированного в него электрона обусловлены квантово-волновым процессом его движения, проявляемого, в том числе, как квантовые проводимость и осцилляции, определяемые на вольтамперной характеристике в виде отдельных резонансных пиков и квазипериодических осцилляций тока. В основе предлагаемого варианта лежат полученные теоретически и практически принимаемые совокупные ограничения, зависящие от свойств материалов и технологического синтеза.

Квантово-размерное влияние на состояние движения электрона зависит от соотношения Λ/а~1/q. Для условия квантово-размерного ограничения (удержания, конфайнмента) - (Λ/a)≥1/q, необходимо, чтобы выполнялось соотношение:

В реальных условиях использования конкретных полупроводников в силу абсолютной малости объема наночастиц в них нет равновесных электронов проводимости, связанных с вероятностными тепловыми переходами (собственная проводимость) либо примесными атомами (примесная проводимость). Электроны проводимости в нанокристалле могут быть только инжектированные извне. Причем только в единственном числе.

В заявке обоснованно принимается, что энергия движущегося в нанокристалле электрона, влияющая на его состояния, равна падению напряжения на нанокристалле и добавки энергии квантов внешнего излучения. Причем при определенных их значениях происходит их квантовый отбор и резонанс проводимости. При этом на вольтамперной характеристике (ВАХ) нанокристалла проявляются отдельные резонансные пики и квазипериодические осцилляции тока.

Таким образом, размеры нанокристалла a_n во всех кристаллографических направлениях ограничены соотношением формулы (5), где - энергия электрона в нанокристалле, обусловленная падением напряжения на нем и его поглощением внешнего излучения (при наличии такового).

Кроме того, в заявке принято, что ограничения размеров нанокристалла обусловлены также и соотношениями условий коллоидного синтеза, вытекающих из формул (1) и (2):

где а* ~ критический размер зародыша, рассчитываемый по формуле (1*); g - введенный параметр геометрии решетки, равный 6 для кубической сингонии.

Расчет размера зародышей по формуле (1*) не является точным, в связи со сложностью определения параметров γ* и S. В этой связи принимается условие - его экспериментальное определение с использованием методов электронной микроскопии.

Все перечисленные выше патентованные способы синтеза наночастиц, так или иначе, посвящены управлению их свойствами. Технологический процесс коллоидного синтеза наночастиц бинарных полупроводников (соединений типа металл - неметалл), в своей основе, заключается в следующем.

В трехгорлую колбу помещается раствор с прекурсором металла. При подбираемой температуре проводится подготовительный процесс при интенсивном перемешивании в течение подбираемого времени в атмосфере осушенного азота. Затем температуру снижают до температуры синтеза, и в колбу быстро вводят подбираемое количество раствора прекурсора неметалла. Далее проводят синтез в течение подбираемого и варьируемого времени, после чего реакцию останавливают, помещая колбу в специальный холодильник. Полученный темноватый раствор затем раскупоривают на воздухе и осаждают наночастицы добавлением выбираемого растворителя и центрифугированием. Маточный раствор сливают, а осадок диспергируют в выбранном растворителе для хранения.

Определяющим для свойств наночастиц технологическим параметром является степень пересыщения раствора, выражаемая на практике в скорости кристаллизации. В технологиях полупроводников скорость роста кристаллической структуры - определяющий интегральный параметр для любого процесса образования структуры твердой фазы. В коллоидной химии наночастиц, интегральным параметром процесса является его время, зависимое от конкретных условий технологического процесса и получаемое на практике в широких пределах - от единиц секунд до десятков минут.

Вариант технического решения в данной патентной заявке выбран, исходя из условия минимальной скорости роста и, соответственно, максимального времени процесса синтеза, устанавливаемого экспериментально. При этом в основе предложения лежит использование несольватирующего (некоординирующего) растворителя для одного из прекурсоров - неметалла. Этот выбор связан с тем, чтобы на стадии оствальдовского созревания продлить процесс образования зародышей и, главное, создать условие для частичного растворения относительно крупных наночастиц.

Предложение основано на исследовании в нашей работе [15], в которой на основе вариаций параметров синтеза квантовых точек и измерений на электронном и зондовом микроскопах установлено, что определяющей для структурно-физических свойств квантовых точек является скорость кристаллизации в процессе их коллоидного синтеза. При этом, при медленном росте кристаллов гистограмма распределения по размерам имеет два максимума, что связано с термодинамической анизотропией кристаллизации. Установлены фактические формы и пределы размеров наночастиц совершенной кристаллической структуры.

Апробация на конкретных примерах

Апробация проведена на конкретных примерах нанокристаллов бинарных узкозонных полупроводников сульфида свинца и антимонида индия. В основе использованы результаты работ [14, 15] и данные патента [16] с определенными конкретными уточнениями составов и режимов.

Эксперименты проведены на случайных выборках большого числа (более 100) образцов нанокристаллов путем контроля их формы и размеров на просвечивающем электронном микроскопе Libra-120 (CarlZeiss, Германия) и измерений вольтамперных характеристик (ВАХ) одиночных нанокристаллов в герметичной компактной камере сканирующего зондового микроскопа SOL-VERNano в режиме автоэмиссии из зонда при относительно больших величинах нанозазора зонд-образец (~5 нм) и полярности «минус» на зонде.

Коллоидный синтез нанокристаллов NC-PbS проводили с использованием растворителя безводного уайт-спирита и прекурсора-неметалла олеата серы. При этом использованы несколько типов и сортов растворителей разных фирм-изготовителей, которые отличались параметрами, в частности, температурой кипения. Уточнения проведены для молярной концентрации серы M_S, соотношения ее и молярной концентрации свинца M_Pb, температуры синтеза.

Конкретные уточнения сводятся к следующим:

- молярная концентрация прекурсора серы - ниже 0,01 М;

- температура раствора при синтезе - равна температуре кипения уайтспирита;

- соотношение концентраций прекурсоров M_S:M_Pb должно быть подобрано экспериментально в зависимости от типа и сорта уайт-спирита разных изготовителей.

На рисунке фиг.1 представлены фрагменты снимков на просвечивающем электронном микроскопе и гистограммы размеров на трех этапах синтеза: 1 - начало, 2 - кондиция, 3 - завершение. Размеры измерены по снимкам, увеличенным на большом экране компьютера.

На рисунке фиг.2 представлены примеры ВАХ: 1 - NC-PbS; 2 - тест-микро-InSb; 3 - тест-ITO, которые демонстрируют эффекты квантовых проводимости и осцилляций, выраженные резонансным пиком и осцилляциями тока.

На рисунке фиг.3 представлены фрагменты ВАХ разных образцов (отличающихся размерами) в зонах резонансных пиков тока. Цифры над кривыми - вычисленные по формуле (3) значения размеров a_n для случаев q=2 (верхние) и q=3 (нижние). За значения энергии электрона приняты величины напряжения в точках максимума резонансных пиков.

Для проведения анализа приняты значения параметров полупроводника сульфида свинца, полученные из интернет-ресурса [http://xumuk.ru/encyklopedia]: m=0,0710^-30 кг, a₀=0,593 нм, Н_обр=90 кДж/м. Вычисленные по этим данным и формулам (2), (4) значения размерных параметров - Λ~3q(V)^-1/2 нм; а_мах~15 нм. Параметр а*~1,5 нм определен из рисунка фиг.1 как наименьшее значение размера по гистограмме распределения в вариантах «начало» и «кондиция».

Ограничивающее размеры соотношение для квантово-размерных кристаллов NC-PbS можно принять как 1,5≤a_n≤3q(V)^-1/2 нм.

Коллоидный синтез наночастиц антимонида индия проводили в среде безводного олеиламина, с использованием в качестве прекурсоров смеси ацетата и хлорида индия в соотношении 4:1 и трис[бис(триметилсилил)амида] сурьмы Sb[N(Si-(Me)₃)₂]₃.

На фиг.4 приведены ВАХ разных образцов (отличающихся размерами) в зонах резонансных пиков тока. Цифры над кривыми - вычисленные по формуле (3) значения размеров a_n для случаев q=1 (верхние) и q=2 (нижние). За значения энергии электрона приняты величины напряжения в точках максимума резонансных пиков.

Для проведения анализа приняты значения параметров полупроводника антимонида индия, полученные из интернет-ресурса [http://xumuk.ru/encyklopedia]: m=0,013⋅10^-30 кг, a₀=0,649 нм, Н_обр=35 кДж/м. Вычисленные по этим данным и формулам (2), (4) значения размерных параметров - Λ~8q(V)^-1/2 нм; а_мах~6 нм. Параметр а*~1,5 нм определен так же, как для сульфида свинца.

Ограничивающее размеры соотношение для квантово-размерных кристаллов NC-PbS можно принять как 1,5≤a_n≤6 нм.

Список источников информации

1. С.Б. Бричкин, В.Ф. Разумов. Коллоидные квантовые точки: синтез, свойства и применение. // Успехи химии. 2016. Т. 85, №12. С.1297-1312. https://doi.org/10.1070/RCR4656

2. Н.Д. Жуков, С.А. Сергеев, А.А. Хазанов, И.Т. Ягудин. Особенности излучательных свойств квантово-размерных частиц узкозонных полупроводников. Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып.22, с.с. 37-40. DOI: 10.21883/PJTF.2021.22.51725.18927

3. А.И. Екимов, А.А. Онущенко. Размерное квантование энергетического спектра электронов в микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ. - 1984. - Т. 40, №8. - С. 337-340.

4. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков. Электронный транспорт в одиночных коллоидных квантово-размерных частицах в межэлектродном нанозазоре. Письма в ЖТФ, 2022, том 48, вып.8, с.с. 18-22. DOI: 10.21883/PJTF.2022.08.52361.19090

5. F. Montanarella, M.V. Kovalenko. Three Millennia of Nanocrystals. ACS Nan о 2022, 16 (4), 5085-5102. https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11159

6. И. А. Вовк, А. В. Баранов, М.Ю. Леонов, И. Д. Рухленко. Физика полупроводниковых нанокристаллов. - СПб: Университет ИТМО, 2021. - 87 с.

7. Zh. Xu, Ya. Li, Ji. Li and others. Formation of Size-Tunable and Nearly Monodisperse InP Nanocrystals: Chemical Reactions and Controlled Synthesis. Chemistry of Materials 2019,31 (14), 5331-5341. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02292

8. L. Lv, Ji. Li, Yo. Wang and others. Monodisperse CdSe Quantum Dots Encased in Six (100) Facets via Li-gand-Controlled Nucleation and Growth. Journal of the American Chemical Society 2020, 142 (47), 19926-19935. https://doi.org/10.1021/jacs.0c06914

9. K. Yu, M.Z. Hu, R.Wang and others. Thermodynamic Equilibrium-Driven Formation of Single-Sized Nanocrystals: Reaction Media Tuning CdSe Magic-Sized versus Regular Quantum Dots // J. Phys. Chem. С 2010. Vol.114. P. 3329-3339. https://doi.org/10.1021/jp909310a

10. Дубовик А.Ю., Получение коллоидных наноматериалов и исследование их оптических свойств - СПб: Университет ИТМО, 2020. - 52 с.

11. Д.Н. Израелашвили. Межмолекулярные и поверхностные силы. НАУЧНЫЙ МИР. 2011. 457 с.

12. Н.В. Сибирев, М.А. Тимофеева, А.Д. Большаков и др. Физика твердого тела, 52, 7, 1428-1434 (2010).

13. В.П. Драгунов, И.Г. Неизвестный, В.А. Гридчин, Основы наноэлектроники (Логос, М., 2006), с. 495.

14. Н.Д. Жуков, М.В. Гавриков, С.Н. Штыков. Размерное моделирование синтеза и проводимости бАбоидных квантовых точек. Физика и техника полупроводников, 2022, том 56, вып.6, с. с.552 - 557. DOI: 10.21883/FTP.2022.06.52588.9809

15. Н.Д. Жуков, Т.Д. Смирнова, А.А. Хазанов, О.Ю. Цветкова, С.Н. Штыков. Свойства полупроводниковых коллоидных квантовых точек, полученных в условиях управляемого синтеза. Физика и техника полупроводников, 2021, том 55, вып.12, с.с. 1203-1209. DOI: 10.21883/FTP.2021.12.51706.9704

16. Патент 2774829 «Способ коллоидного синтеза квантовых точек бинарных полупроводников». Приоритет 10.08.2021. Авторы: Гавриков М.В., Жуков Н.Д., Лазарев С.А., Смирнова Т.Д., Цветкова О.Ю., Штыков С.Н. Патентообладатель ООО «Старт-Волга».

Изобретение относится к нанотехнологии, наноматериалам, наноструктурам, элементам наноэлектроники и нанофотоники. Квантово-размерный нанокристалл представляет собой полупроводниковый материал в виде ограниченного наноразмерами монокристалла, изготавливаемый коллоидным синтезом. Синтезируемый нанокристалл имеет свойства: самоорганизации при коллоидном синтезе и состояний инжектированного в него электрона. Размеры нанокристалла a_n во всех кристаллографических направлениях ограничены соотношением: a_n≤hq(2m)^-1/2, где h - постоянная Планка, q - квантовое число, m - эффективная масса электрона в полупроводниковом материале, - энергия электрона в нанокристалле, обусловленная падением напряжения на нем и его поглощением внешнего излучения. При этом размеры нанокристалла обусловлены также и соотношениями условий коллоидного синтеза: а*≤a_n≤ga₀(H_обр/E_c), где: а₀ - постоянная решетки нанокристалла, H_обр - объемная энергия нанокристалла, Е_с - поверхностная энергия нанокристалла, а* - критический размер зародыша нанокристалла, определяемый экспериментально методами электронной микроскопии, g - параметр геометрии решетки нанокристалла, равный 6 для кубической сингонии. Технический результат - повышение энергетических параметров, упрощение структуры и технологии формирования. 4 ил.

Квантово-размерный нанокристалл, содержащий полупроводниковый материал, отличающийся тем, что: полупроводниковый материал является полупроводником бинарного состава и кристаллической структуры, самоорганизующейся при коллоидном синтезе в монокристалл; нанокристалл имеет состояния инжектированного в него электрона, обусловленные квантово-волновым процессом его движения, проявляемого как квантовые проводимость и осцилляции с образованием на вольтамперной характеристике особенностей в виде отдельных резонансных пиков и квазипериодических осцилляций тока; размеры нанокристалла а_n во всех кристаллографических направлениях ограничены соотношением: а_n≤hq(2m)^-1/2, где h - постоянная Планка, q - квантовое число, m - эффективная масса электрона в полупроводнике, - энергия электрона в нанокристалле, обусловленная падением напряжения на нем и его поглощением внешнего излучения при его наличии; при этом размеры нанокристалла определены также и соотношениями условий коллоидного синтеза: a*≤а_n≤ga₀(H_обр/E_c), где: a₀ - постоянная решетки нанокристалла, H_обр - объемная энергия нанокристалла, Е_с - поверхностная энергия нанокристалла, а* - критический размер зародыша нанокристалла, определяемый экспериментально методами электронной микроскопии, g - параметр геометрии решетки нанокристалла, равный 6 для кубической сингонии.