IT История

Размеры квантовой точки настолько ничтожны, что по законам квантовой механики в ней начинают проявляться эффекты квантования энергетических уровней, на которых могут находиться электроны.

Квантовые точки на службе у человека

Как известно, самые интересные открытия и технологические новшества встречаются на стыке разных наук. Это вполне понятно: когда исследователи, скажем, физики плазмы, приходят в проекты по разработке каких-нибудь мониторов, привнося туда свои взгляды и менталитет физиков-теоретиков, получаются плазменные панели - изделия весьма высокотехнологичные и поражающие воображение. То же самое можно сказать и о спутниковой связи, и о машиностроении и, безусловно, о компьютерных технологиях. Но самая активная в смысле плагиата чужих разработок, если так можно выразиться, область деятельности - это медицина и связанная с ней часть биологии. Это и не удивительно, понятно, что человек, прежде всего, заботится о своем здоровье. И несмотря на известную народную мудрость, которая утверждает, будто бы здоровье не купишь , человек обычно ни на какие расходы не скупится, лишь бы излечиться от поразившего его недуга. А раз так, значит, все перспективные исследования, результаты которых так или иначе могут использоваться в медицине, найдут щедрый источник финансирования. И новые разработки достаточно быстро попадают из исследовательских центров в руки медиков. Примеров множество, наиболее заметные и характерные - это томография, использующая эффект ядерного магнитного резонанса, УЗИ, допплеровская диагностика. Все эти диагностические методы предполагают использование мощнейшей вычислительной техники, кроме того, они требуют очень точных и сложнейших технологий.

В последнее десятилетие во всем мире наметилась тенденция к изучению микро - и наноэлектроники. В первую очередь в данных исследованиях заинтересованы, конечно же, разработчики различных микроэлектронных приборов и микрочипов, которые, в силу непререкаемых законов рынка, должны быть все дешевле и дешевле и, вместе с тем, все производительнее и производительнее, чтобы на них был спрос, - конкуренты-то, как известно, не дремлют. Стоит только остановиться на мгновение - и все, с тебя уже снимают желтую майку лидера и отдают ее другой компании, которая оказалась быстрее и дальновиднее. Заметим, что тенденция к постоянной миниатюризации элементной базы электроники наметилась, в общем-то, сразу же, как только были сделаны первые диоды и транзисторы. К области же квантовой наноэлектроники исследователи, двигающиеся в направлении уменьшения размеров единичного логического элемента, пришли совсем недавно. Случилось это из-за того, что элементы микросхем, постоянно уменьшаясь, попросту перешагнули ту грань, когда в их работе не сказывались квантовые эффекты. Всю сложность квантового поведения электронов можно было не учитывать, рассматривая отдельные детали как макрообъекты, до тех пор, пока их размеры не стали оцениваться десятками нанометров и меньше.

Так или иначе, но сегодня в исследованиях и разработке нанотехнологий задействована уйма специалистов самой разной направленности, поэтому, учитывая все вышесказанное, совсем не удивительно, что нанотехнологии нашли применение в медицине, как клинической, так и научно-исследовательской.

Бурное развитие высокоточной техники, позволяющей манипулировать нанометровыми объектами, и, что самое главное, милое сердцу ученого финансирование проектов (иногда очень даже дорогостоящих) привели к тому, что люди наконец-то научились получать полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки), которые представляют собой любопытнейшие структуры. Говоря в двух словах, квантовая точка - это специальным образом полученный наноразмерный объект, в силу своих малых размеров обладающий не непрерывным, а дискретным энергетическим спектром. Внутри квантовой точки обычно находится несколько электронов, которые удерживаются там электромагнитными полями. Такую конфигурацию электромагнитных полей физики обычно называют потенциальной ямой, из-за того что, однажды провалившись в эту яму, электрон без посторонней помощи уже не может оттуда выбраться .

Как уже говорилось, размеры квантовой точки настолько ничтожны, что по законам квантовой механики в ней начинают проявляться эффекты квантования энергетических уровней, на которых могут находиться электроны. Это означает, что электрон, находящийся внутри квантовой точки, может иметь не любую энергию, какую ему вздумается, а только одну из набора вполне определенных значений, зависящих от конфигурации точки, ее размеров, окружения и так далее. Если вы еще не забыли школьный курс физики, то наверняка вам пришла в голову аналогия с поведением электрона в атоме, где он тоже может вращаться только по определенным, четко заданным орбитам . Аналогия эта более чем уместна, поэтому квантовые точки ученые иногда так и называют - искусственными атомами , хотя реальная квантовая точка при этом может состоять из сотен или даже нескольких тысяч атомов. Если упростить пояснение, то наука занимается сегодня тончайшей инженерией, когда конструируется электронная зона кристаллов и их состояние внутри.

Характеристики квантовой точки можно менять в достаточно широких пределах, что позволяет получать структуры с нужными и весьма удивительными свойствами, аналогов которых не существует в природе.

С помощью таких структур инженеры рассчитывают реализовать довольно много новых, кажущихся сейчас почти фантастическими, технологий и существенно усовершенствовать часть уже существующих.

Во-первых, можно будет создавать мощные, недорогие, а главное, миниатюрные лазеры с рабочими длинами волн от инфракрасного света до ультрафиолета (от 800 до 380 нм), перекрывающие, таким образом, весь видимый диапазон. При этом частота, а значит, и цвет лазерного излучения будут зависеть только от размеров квантовых точек, а его-то, как оказалось, достаточно легко изменять. Как вы, наверное, знаете, до сих пор проблема изготовления компактных лазеров, работающих на больших частотах, решена далеко не полностью. А жаль, потому что они позволили бы существенно улучшить многие существующие технологии, например, плотность записи на компакт-диски удалось бы увеличить в сотни, а то и тысячи раз - представьте себе эдакий CD объемом в несколько терабайт. Особо хочется подчеркнуть, что получение простого и компактного источника коротких импульсов ультрафиолетового лазерного излучения дало бы биомедицине удобный и практичный инструмент, позволяющий проводить биомолекулярные исследования клетки, пригодный как для фотодинамической терапии, так и для ранней диагностики онкологических заболеваний.

Существенный прогресс в исследовании возможностей применения уникальных свойств нанообъектов очевиден уже сейчас, так, в январе этого года группа исследователей из Массачусетского технологического института объявила о том, что им наконец-то удалось разработать новую технологию Quantum Dot Organic LED (органический светодиод на квантовых точках). В перспективе эта технология позволит значительно уменьшить как толщину ЖК-дисплеев, так и их энергопотребление. Ну и как побочный эффект, нам обещают более чистые , естественные цвета (не стоит забывать о том, что проблемы с цветопередачей у ЖК-дисплеев были всегда).

Другое возможное применение квантовых точек - изготовление запоминающих устройств с гигантской емкостью. Представьте себе устройство, в котором над массивом квантовых точек движется тончайшее вольфрамовое острие STM (Scanning-Tunnel Microscope - Сканирующий Туннельный Микроскоп) и раздает каждой из них (или сажает в них) по одному электрончику с определенными характеристиками. При очередном проходе вполне можно посмотреть, а точнее, прочитать ту информацию, которую заложили в точки до этого. Словом, каждая точка становится элементом памяти, который сидит всего в нескольких атомах. Это кажется фантастикой, но поверьте, терабайты памяти в чипе площадью всего несколько квадратных сантиметров - это перспектива ближайшего будущего (15-25 лет), а в отдаленном нас ожидают куда более захватывающие перспективы.

Вполне естественно, что такие интересные микрообъекты, как квантовые точки, заинтересовали и биологов. Они надеются получить с их помощью новые методики исследования и диагностики. Причем, анализу можно будет подвергать не только образцы, взятые на пробу или специально выращенные в лаборатории. Как оказалось, живой организм прекрасно воспринимает квантовые точки, если их ввести, скажем, в одну из клеток. Или даже не в одну, а сразу во все. Если быть точнее, организм их просто не замечает. Значит, к диагностике с введением квантовых точек он относится достаточно индифферентно, в отличие от большинства других инвазивных методов исследования. Это навело ученых на мысль использовать квантовые точки в качестве идентификационных маркеров биомолекул. Дело в том, что квантовая точка, при облучении ее светом, также будет светиться, причем строго определенным цветом, не зависящим от цвета падающего на точку освещения (это явление получило название фотостимулированной люминесценции). Длина волны излучения, излучаемого точкой, зависит от нескольких факторов: типа материала, из которого она изготовлена, размеров и формы самой точки, и тех молекул, которые ее окружают. До сих пор для окрашивания различных структур применяли главным образом биологические красители, например, родамин, либо радиоактивные изотопы. И у тех и у других есть большие недостатки: все они частенько бывают ядовиты, изотопы - радиоактивны, да и время жизни у них обычно небольшое (1-2 часа). Понятно, что о введении таких препаратов человеку и речи быть не может. Тем не менее, помеченные красителями молекулы можно выделять за счет их люминесценции, меняющейся в ходе химических реакций, или радиоактивности, и в лабораторных исследованиях эти методики применяются довольно часто. Но что меняется с появлением квантовых точек? Помимо уже описанной выше биосовместимости, они дают гораздо более тонкий инструмент регистрации биомолекул. Если ввести квантовую точку внутрь клетки, то можно заставить ее совершить там одно из двух возможных действий: либо соединиться с некоторой заранее определенной молекулой, либо оставаться, насколько это будет осуществимо, на месте и реагировать изменением своего свечения на проплывающие мимо молекулы. Для того чтобы применить первое умение квантовой точки на практике, поступают следующим образом: в первой пробирке их настраивают так, чтобы они соединялись с одним типом молекул, во второй - с другим типом и так далее, потом все пробирки смешивают и вводят получившийся препарат в клетку. При этом происходит как бы окрашивание разных участков клетки в разные цвета, на самом же деле, просто часть квантовых точек присоединяется к, скажем, мембране, часть - к лизосомам, часть - к молекулам ядра. Фотографии таких раскрашенных клеток, полученные в флуоресцентном свечении, выглядят на редкость ярко и красочно.

Но мы забыли о втором умении . Это гораздо более необычный способ подглядывать за личной жизнью клетки, чем первый, описанный нами. В этом случае квантовая точка остается болтаться в клетке сама по себе, свободная и ни к чему не прикрепленная. Но при этом она остается очень чувствительной к той среде, в которой она плавает, и цвет ее излучения меняется в зависимости от того, какие рядом с ней соседи . Конечно, расшифровать потом полученные от нескольких квантовых точек спектры, чтобы выяснить, что же это такое проплывало рядом с ней, - задача нетривиальная, но скорее всего, и она будет решена в скором времени, если вспомнить, какие потрясающие вычислительные возможности предоставляет современная техника.

Описанные методики позволяют производить очень много принципиально новых исследований, связанных с изучением морфологии и физиологии клеток, и эти результаты не могли бы быть получены практически никакими другими способами. Но не нужно забывать и о том, что квантовые точки могли бы заменить традиционные красители и в уже существующих, хорошо отработанных методиках. Ведь они по своим характеристикам превосходят все известные красители типа родамина 6g: по яркости люминесцентного излучения - примерно в 20 раз, и в сотни раз - по его стабильности. Теоретически, свойства нерадиоактивных материалов позволяют при непосредственном введении их в организм проводить диагностику пациентов. Причем, в данном случае теория, видимо, вполне может быть реализована на практике. О существовании экспериментальных данных, касающихся ввода квантовых точек непосредственно в организм человека, сведений пока нет. Но, по-видимому, это только вопрос времени. Наиболее перспективные направления применения, активно разрабатываемые и совершенствуемые в данный момент, - это расшифровка кода ДНК, клиническая диагностика и фундаментальная молекулярная биология.

Существуют и более фантастические идеи применения нанотехнологии, если так можно выразиться, в медицине. Некоторые ученые высказывают такое предположение: раз некоторые наноструктуры биосовместимы, значит, их можно применять для соединения биологических тканей с электрическими схемами. Заставить наноструктуру реагировать на электрические импульсы достаточно несложно. Намного больше вопросов возникает в связи с тем, как именно будут состыкованы живые клетки и, в конечном счете, провода. Несмотря на все сложности и неясности, многие компании-гиганты собираются активно инвестировать эту область исследований.

Получение квантовых точек

Как же получить такие маленькие объекты, да еще и нужной нам формы и размеров? Не двигать же по одному атому на подложке, соединяя их нужным нам образом. Не спорим, технологии атомной сборки сегодня уже существуют. С помощью AFM (Atomic Force Microscopy - Атомно-Силовая Микроскопия) уже сейчас удается манипулировать отдельными атомами, выстраивая из них необходимые нам объекты. Но этот способ еще очень и очень дорог: одна квантовая точка, полученная таким методом, будет стоить не одну тысячу долларов, а ведь для реального использования необыкновенных свойств квантовых точек нужно получать огромные массивы, состоящие, как минимум, из тысяч подобных объектов.

В действительности, на данный момент существует целое множество достаточно дешевых методов получения квантовых точек. Иногда их делают с помощью литографии, иногда - получают химическими методами, но наиболее широко распространенным способом получения квантовых точек является спонтанное формирование наноразмерных островков-включений одного полупроводникового материала (с меньшей шириной запрещенной зоны) в матрице другого (с большей шириной запрещенной зоны). Такая спонтанная реакция происходит при взаимодействии молекулярных пучков (паров) осаждаемого материала с подложкой матрицы в условиях сверхвысокого вакуума (то есть, при давлениях, меньших атмосферного в 1013 (десять тысяч миллиардов!!!) раз). Соответствующий метод поэтому так и называется - молекулярно-пучковой эпитаксией (Molecular Beam Epitaxy - MBE), суть его состоит в следующем. Внутрь завакуумированной рабочей камеры помещается подложка, на которой будут выращиваться квантовые точки и несколько специальным образом изготовленных источников (тиглей с нагревательными элементами), в которые помещают напыляемые на подложку вещества. Когда источники разогреваются, вещество внутри них начинает испаряться и, через узкое отверстие в крышке тигля, выходить в рабочую камеру. При этом размеры тиглей и температура нагревателей подбираются таким образом, чтобы давление паров испаряемых материалов было достаточным для формирования прямолинейно распространяющихся молекулярных (или атомарных) пучков. Нагреватели располагаются так, чтобы максимумы распределений интенсивности пучков пересекались на подложке. Попадая на подложку, атомы из пучка начинают встраиваться в кристаллическую решетку матрицы, причем, этот процесс происходит послойно, то есть пока на подложке не закончит формироваться первый слой вещества, второй расти не будет, это приводит к почти бездефектному росту кристалла при совпадении параметров решетки растущего материала с параметром решетки подложки. Под параметром решетки мы подразумеваем расстояние между двумя узлами кристаллической решетки. В случае же получения массива квантовых точек, для эпитаксии используют вещество, период кристаллической решетки которого не совпадает с периодом кристаллической решетки подложки. Атомы исходного вещества начинают встраиваться в кристаллическую решетку матрицы подложки, полностью повторяя ее морфологию. Они взаимодействуют с оборванными связями атомов верхнего слоя подложки и как бы достраивают решетку, фиксируясь в вакантных (незанятых) местах. Но, так как теперь в кристаллической решетке подожки оказываются атомы другого элемента, которые сильнее или слабее взаимодействуют друг с другом, начинают возникать упругие натяжения верхнего, вновь наращенного слоя. Пока этот слой достаточно тонкий, напряжения не приводят к его деформации, но, начиная с какого-то момента, он раскалывается (похоже на то, как трескается со временем асфальт, только в нашем случае эффект гораздо более ярко выражен) на отдельные островки. На следующем рисунке показано образование пирамидальных островков арсенида индия в результате деформации плоских слоев этого же полупроводника, выращенных на подложке из арсенида галлия.

Почему же образуются островки, а не обычная плоская поверхность? Движущей силой в данном случае является стремление системы к минимуму энергии. При несовпадении параметров решетки возникают упругие деформации как растущего слоя, так и подложки. Если в процессе роста поверхность остается плоской, то энергия упругой деформации растет, а энергия поверхности не изменяется. При определенной толщине такая ситуация становится энергетически невыгодной. Минимуму энергии системы будет соответствовать образование трехмерных островков пирамидок, в которых основание будет сильно деформировано, но деформация будет убывать по мере удаления от подложки к вершине пирамидки. Ура! Это и есть те самые квантовые точки.

На самом деле, на словах процесс выращивания пирамидок только выглядит достаточно простым, однако он не лишен сложных технологических проблем, некоторые из которых до конца не решены до сих пор. Тем не менее, сегодня данный метод довольно успешно применяется, и в дальнейшем, по-видимому, будет только развиваться. Однако сейчас было бы большим преувеличением сказать, что созданные человеком атомы столь же совершенны, как атомы природные. Природные вообще неотличимы один от другого, а вот об искусственных этого сказать нельзя. Те островки, о которых мы говорили, получаются хотя и похожими, но все же не абсолютно идентичными. Почему это происходит? Причин несколько. Это и дефекты подложки, с которыми еще можно как-то бороться, и случайно попадающие на подложку атомы остаточного газа, с которыми бороться практически бесполезно (вакуум-то бесконечно глубоким не сделаешь). Да и сам процесс формирования наноразмерных островков в большой степени неуправляем. Только представьте себе: каждая квантовая точка состоит из сотен, то и тысяч обычных атомов, самоорганизуются они спонтанно, где гарантии того, что в одном островке не будет на один атом больше? Или меньше? Действительно, квантовые точки не совсем гомологичны, разброс в отношении их линейных размеров и некоторых других параметров довольно велик и редко составляет менее 5%. Это не очень хорошо для практических применений. Но ученые продолжают бороться за усовершенствование и удешевление как старых, ставших уже классическими, методов выращивания квантовых точек, так и за появление принципиально новых. А значит, нанореволюция скоро произойдет, и нужно быть к ней готовым!