eng
Выпуск #2/2022
А. И. Аржанов, А. О. Савостьянов, К. А. Магарян, К. Р. Каримуллин, А. В. Наумов
Фотоника полупроводниковых квантовых точек: прикладные аспекты
Фотоника полупроводниковых квантовых точек: прикладные аспекты
Просмотры: 2741
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.2.96.112
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, что открывает широкие возможности их прикладного использования в методах и инструментах современной фотоники. В данной статье рассматриваются возможные приложения КТ. Обсуждаются как существующие устройства, так и перспективы разработки новых методов и приборов фотоники. Рассмотрены инновационные подходы применения КТ в различных областях современных фотонных технологий: оптоэлектронике, биофизике, квантовой оптике, сенсорике, фотовольтаике.
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, что открывает широкие возможности их прикладного использования в методах и инструментах современной фотоники. В данной статье рассматриваются возможные приложения КТ. Обсуждаются как существующие устройства, так и перспективы разработки новых методов и приборов фотоники. Рассмотрены инновационные подходы применения КТ в различных областях современных фотонных технологий: оптоэлектронике, биофизике, квантовой оптике, сенсорике, фотовольтаике.
Теги: biolabels fluorescence nanoscopy integrated photonics optical switches photovoltaics quantum dot detectors quantum dot lasers quantum dot leds quantum dots quantum size effect targeted drug delivery адресная доставка лекарств биомаркеры детекторы на квантовых точках интегральная фотоника квантово-размерный эффект квантовые точки лазеры на квантовых точках оптические переключатели светодиоды на квантовых точках флуоресцентная наноскопия фотовольтаика
Фотоника полупроводниковых квантовых точек: прикладные аспекты
А. И. Аржанов 1, 2, 3, А. О. Савостьянов 1, 2, 3, К. А. Магарян 1, К. Р. Каримуллин 1, 2, 3, А. В. Наумов 1, 2, 3
Московский педагогический государственный университет, Москва, Россия
Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва, Россия
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Троицк, Москва, Россия
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, что открывает широкие возможности их прикладного использования в методах и инструментах современной фотоники. В данной статье рассматриваются возможные приложения КТ. Обсуждаются как существующие устройства, так и перспективы разработки новых методов и приборов фотоники. Рассмотрены инновационные подходы применения КТ в различных областях современных фотонных технологий: оптоэлектронике, биофизике, квантовой оптике, сенсорике, фотовольтаике.
Ключевые слова: квантово-размерный эффект, квантовые точки, светодиоды на квантовых точках, интегральная фотоника, лазеры на квантовых точках, оптические переключатели, детекторы на квантовых точках, фотовольтаика, флуоресцентная наноскопия, биомаркеры, адресная доставка лекарств
Статья получена: 10.01.2022
Статья принята к публикации: 24.01.2022
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, зависящими от их морфологии и химического состава, а также термодинамических параметров и свойств окружающей среды (характеристики электромагнитного поля, кислотность, влажность, химический состав и т. п.) [1]. Найденные в исследованиях фундаментальные закономерности (подробно эти вопросы были освещены в первой части данного обзора в [1]), определяющие эти связи, позволяют осуществлять инжиниринг и управляемый синтез КТ и нанокомпозитов на их основе с заданными свойствами. Благодаря этому обстоятельству КТ все чаще находят применения в различных отраслях науки и технологиях, и, в первую очередь, в различных приложениях фотоники.
Условно можно выделить несколько основных областей применения КТ (см. схему на рис. 1):
В данной статье эти направления прикладного использования КТ будут рассмотрены подробно с отсылкой к фундаментальным характеристикам новых материалов, описанных в недавней статье [1].
Источники света и LED
КТ могут быть использованы в качестве ярких излучателей как альтернатива органическим люминофорам [2]. Светодиоды на основе КТ за счет высокого квантового выхода обладают более высокой эффективностью по сравнению с органическими соединениями [3].
Органические люминофоры характеризуются широким спектром излучения, что ограничивает возможности производителей точно настраивать цветовую температуру источника путем смешения излучения нескольких люминофоров (например, синего и желтого). Спектральными свойствами люминофоров на основе КТ можно управлять благодаря эффекту размерного квантования, подбирая спектр свечения за счет использования заданного распределения размеров КТ. Такой люминофор можно возбуждать обычным синим светодиодом благодаря наличию широкого спектра поглощения.
Светодиоды на основе КТ находят применение в быту, став основой технологии, пришедшей на замену привычным органическим ЖК-дисплеям. КТ, используемые в качестве источников излучения в технологии QLED, позволяют создавать дисплеи с высокой яркостью и повышенной цветопередачей. Уже ведутся разработки нового поколения дисплеев (гибкие, прозрачные) на основе КТ, интегрированных с модулями беспроводной связи для использования в носимой электронике [4]. Также продемонстрированы возможности создания носимых устройств с дисплеями на основе массивов КТ для отображения различных биофункциональных параметров живых организмов (например, дистанционная медицинская диагностика). Массивы из КТ, выращенных на эластомерной поверхности, могут прикрепляться к коже и имеют свойство растяжения и низкого энергопотребления. Данное устройство способно визуально отображать сигналы движения тела и температуры кожи от периферийных датчиков [5]. Основным недостатком, ограничивающим широкое внедрение данной технологии, является то обстоятельство, что массив КТ переизлучает свет внешнего источника возбуждения (матрицы светодиодов), а не является самостоятельным источником излучения. В настоящее время ведется активный поиск способов создания отдельных RGB пикселов на основе электролюминесцирующих полупроводниковых нанокристаллов, однако на сегодняшний день технология ограничивается лишь использованием наночастиц в качестве преобразователей частоты излучения [6].
Преобразователи и детекторы света
Поговорим о возможностях преобразования излучения с использованием КТ в качестве детекторов. В настоящее время наибольшее распространение в различных фотоприемниках и матричных сенсорах, функционирующих в видимом диапазоне, получили элементы на основе кремния или других полупроводниковых гетероструктур. Однако такие детекторы имеют ограниченный рабочий спектральный диапазон от 400 до 1000 нм. Расширение диапазона в ближнюю (1,3–1,5 мкм) и среднюю (20–200 мкм) ИК-область может стать возможным благодаря использованию КТ на фотоактивной поверхности Si [7]. Интерес к продвижению высокочувствительной детекторной техники в ИК-диапазон связан с бурным развитием оптоэлектронных технологий и телекоммуникаций, новыми задачами квантовой оптики и неинвазивной медицинской диагностики.
Работы по созданию таких детекторов ведутся в настоящее время, в частности удалось создать такие преобразователи не только с использованием эпитаксиальных КТ на наногетероструктурах [8], но и коллоидных КТ [9]. В исследованиях было показано, что осаждение коллоидных КТ на поверхность кремния позволяет уменьшить окно прозрачности полупроводника в ИК-диапазоне за счет создания примесных состояний в запрещенной зоне кремния. Учитывая тот факт, что коллоидные КТ достаточно просты в изготовлении и обладают широкими возможностями по управлению спектральными свойствами, можно полагать, что исследования в данном направлении могут дать мощный импульс для совершенствования кремниевых оптоэлектронных устройств.
Значительный прогресс в разработке детекторов света достигнут при использовании коллоидных квантовых точек PbS, PbSe, Bi2S3, In2S3 [10], что применяется в гибкой электронике и CMOS-технологиях.
Будучи легко интегрируемыми в различные метаматериалы и гетероструктуры, КТ позволяют перейти к конструированию нового поколения устройств интегральной фотоники. Так в [11] продемонстрирована возможность создания высокочувствительной камеры на средний ИК-диапазон на основе массива плазмонных структур, интегрированных с системой квантовых точек внутри квантовых ям.
Системы с КТ могут быть использованы и для более сложного преобразования световых потоков. Так в [12] было предложено использовать экситонные уровни полупроводниковых КТ типа CdSe / CdS / ZnS для записи и считывания двухквантовых транзиент-голограмм.
В свою очередь нанометровые размеры КТ позволяют рассматривать их использование в фотонных и оптикоэлектронных преобразователях интегральной оптики. Например, в [13] был рассмотрен эффект плазмонного переключения для поверхностных плазмон-поляритонов в графеновом волноводе, интегрированном с штыревым нанорезонатором с КТ. Обнаруженный эффект потенциально обеспечивает возможность управления световыми потоками ИК-диапазона, локализованных в устройстве с размерами 20 нм.
Сенсорные технологии
Высокая чувствительность оптико-спектральных параметров КТ к характеристикам внешнего окружения открывает возможность разработки на их основе различных сенсорных устройств. Например, селективное изменение физико-химических свойств композитов с КТ при контакте с различными веществами положено в основу газовых сенсоров (NO2) [14].
Температурная зависимость спектральных характеристик КТ может стать основой температурных сенсоров [15, 16] и наносенсоров [17, 18].
Создание композитов с КТ обеспечивает существенное повышение эффективности работы фотокаталитических систем [19].
Сопряжение квантовых точек со сложными нанокомпозитами дает возможность высокочувствительного детектирования других физико-химических параметров сред, например в [20] предложено использовать композит полимер-КТ-оксид графена в качестве высокочувствительного pH-сенсора.
Еще один пример использования квантовых точек в качестве сенсоров материальных характеристик среды связан с эффектами локального поля, проявляющимися в зависимости времени жизни возбужденного состояния КТ от значения показателя преломления среды (диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости) [21, 22]. В связи с этим, люминесцирующие КТ могут быть использованы в оригинальной технике микрорефрактометрии для определения показателя преломления среды и картирования его флуктуаций, в т. ч. на субмикрометровых масштабах [23, 24].
Солнечная энергетика (фотовольтаика)
В последние годы во всем мире активно развиваются технологии солнечной энергетики. До самого последнего времени основой солнечных панелей является кремний, именно на его основе разработаны и внедрены в реальный сектор экономики наиболее эффективные преобразователи излучения, используемые в солнечной энергетике.
По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) (рис. 3) кремниевые фотовольтаические ячейки обладают достаточно высокой эффективностью преобразования энергии (до 27,6%) [25]. Инжиниринг же многопереходных фотовольтаических элементов обеспечивает увеличение эффективности преобразования вплоть до 47%.
В то же время следует отметить существенные проблемы кремниевой оптоэлектроники – дороговизна и сложность производства.
На сегодняшний день наблюдается интенсивной рост общей мощности генерации электроэнергии с использованием солнечных электростанций (рис. 4). При этом растущие мощности и без того энерго- и ресурсозатратного полупроводникового производства (кремниевых фотовольтаических элементов) приводят к изменению климата на планете, в связи с чем остро встает проблема поиска новых материалов для изготовления солнечных ячеек.
Все чаще в качестве основы светопреобразующих элементов (фотовольтаических ячеек) выступают полупроводниковые нанокристаллы – КТ и композиты (в том числе, гибридные) на их основе. Благодаря наличию широкого спектра поглощения КТ могут эффективно поглощать от УФ- до дальнего ИК-диапазона спектра электромагнитного излучения, что делает их перспективными для использования в солнечной энергетике. КТ уже сейчас занимают определенную нишу в этой области, и с каждым годом эффективность преобразования энергии с их использованием растет. Согласно [26], в настоящее время достигнуто значение эффективности 16,6% для коллоидных перовскитных КТ. Свойства коллоидных растворов нанокристаллов позволяют использовать их для изготовления экзотических фотовольтаических материалов (например, гибких солнечных элементов) [27]. На сегодняшний день существует множество методов изготовления солнечных панелей из коллоидных растворов, среди которых особо следует выделить технологию roll-to-roll (R2R) [28]. Суть метода заключается в осаждении коллоидных растворов путём шаберного нанесения, напыления или инжекционного нанесения коллоидных растворов на гибкую основу с последующим запеканием для получения однородного слоя фотоактивного вещества. Благодаря такой технологии удалось не только создать ультратонкие солнечные элементы, но и существенно удешевить производство фотовольтаических элементов на основе коллоидных КТ.
Лазеры на квантовых точках
За минувшие шесть десятков лет после изобретения лазера полупроводниковые материалы прекрасно зарекомендовали себя в качестве лазерных сред. После значительного прогресса в синтезе коллоидных КТ в середине 90‑х годов вопрос о перспективах их применения для изготовления высокоэффективных, но в то же время крайне компактных лазерных сред, встал особенно остро. Основные преимущества нанокристаллов относительно традиционных объемных материалов, так или иначе, связаны с эффектами размерного квантования, позволяющими достичь достаточно низкого значения порога лазерной генерации при высокой термостабильности и возможности подстраивать длину волны излучения за счет использования КТ различных размеров.
Исследования возможностей лазерной генерации в системах на основе КТ были начаты достаточно давно, и в конце 1990‑х прототипы таких лазеров увидели свет [29,30].
Выяснилось, однако, что достижение генерации в полупроводниковых нанокристаллах является весьма сложной задачей. Для создания инверсной заселенности в КТ необходимо возбудить как минимум пару экситонов. Казалось бы, этого не сложно добиться, возбуждая КТ мощными фемтосекундными лазерными импульсами, однако, как обнаружилось, экситоны в КТ размера порядка нескольких нанометров способны достаточно быстро обмениваться энергией (так называемая Оже-рекомбинация), что препятствует созданию инверсной заселенности, необходимой для достижения лазерной генерации.
Эта трудность впервые была преодолена в работе научной группы В. Климова [31], где впервые была продемонстрирована возможность получения инверсной населенности в плотноупакованных слоях нанокристалов CdSe с размером 1,2 нм. Измеренные для данных КТ характерные времена безызлучательного перехода между возбуждаемым и заселяемым уровнями составила впечатляющие сотни фемтосекунд как для электронов, так и для дырок, что на порядок меньше времен Оже-рекомбинации (~6 пс для КТ CdSe указанного радиуса).
В дальнейшем был предложен способ осуществления лазерной генерации в КТ и без возбуждения мультиэкситонов (Single-exciton optical gain in semiconductor nanocrystals).
Материал и диаметр КТ (CdS / ZnSe) были подобраны таким образом, чтобы при возбуждении экситона лазерным импульсом осуществлялось его пространственное разделение, причем электрон оказался локализованным в ядре КТ, а дырка – в ее оболочке. Возникающее при этом локальное электрическое поле достаточно велико (~100 мэВ), что значительно изменяет энергию экситона, рождаемого при следующем акте возбуждения. Как результат, в возбуждаемых последовательными импульсами КТ наблюдается сдвиг полос поглощения, что в свою очередь позволяет создавать в них инверсную населенность. Понимание природы и механизмов этих процессов открыло путь к созданию лазеров на КТ с низким порогом генерации, реализации оптического усиления электрической инжекцией, а также разработке лазеров с оптической накачкой, стандартного светоизлучающего диода с электрическим возбуждением и on-chip лазеров [32–34].
Эффективная лазерная генерация может быть достигнута в структурах с распределенными брэгговскими решетками на квантовых ямах, точках и с квантовыми каскадами [35]. Интеграция квантовых точек InAs в планарный GaAs волновод полупроводниковой наноструктуры, сопряженный с полупроводниковым лазером с электрической накачкой на основе AlAs / AlGaAs микрорезонатора с квантовыми ямами GaAs в активной области, позволяет реализовать циркулярно-поляризованное излучение [36].
Оптические переключатели
Актуальной задачей использования КТ является разработка новых фотонных логических элементов и создание вычислительных архитектур. На замену базовым логическим элементам электроники – транзисторам – приходят оптически активные нанообъекты.
За счет их масштабируемости и квантового поведения они представляют большой интерес для создания фотонных устройств обработки сигналов [37]. На данный момент разработано множество наноразмерных логических устройств, работающих на системах из захваченых ионов [38] и одиночных атомов [39], нелинейных материалах [40], одиночных молекулах [41], плазмонных наночастицах [42], вакансионных центрах окраски в алмазах [43] и других. В качестве активного материала для таких систем можно использовать и полупроводниковые коллоидные КТ, которые являются источником одиночных фотонов.
Полностью функционирующая логика была создана на одиночных полупроводниковых КТ, включающая в себя высокоточные вентили с квантовым управлением [44], фотонные переключатели [45], а также повторители [46]. По аналогии с транзисторами оптические элементы логики могут быть использованы для разработки и построения полностью оптических интегральных микросхем, что может сильно повлиять на прогресс квантовых фотонных технологий в ближайшем будущем.
Флуоресцентная наноскопия, биомаркеры и адресная доставка ЛЕКАРСТВ
Квантовые точки используются в качестве эффективных флуоресцентных меток, для доставки лекарств, мониторинга процесса метаболизма лекарств в организме благодаря своим уникальным физико-химическим характеристикам. Другие биомедицинские приложения КТ включают в себя создание чувствительных сенсоров для обнаружения заболеваний и проведение флуоресцентных анализов для разработки новых лекарственных препаратов [47–49].
В последние годы активно развиваются методы флуоресцентной наноскопии (микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения), где КТ могут выступать в качестве одиночных точечных излучателей-маркеров [50,51]. Методы наноскопии развиваются в том числе и в направлении трехмерной визуализации наноструктуры исследуемого объекта, трекинга наночастиц [52].
C конца 1990‑х годов количество различных областей применения квантовых точек в биологии и медицине растет в геометрической прогрессии. Полупроводниковые наночастицы активно используются в качестве флуоресцентных меток для биоаналитических целей, таких как обнаружение ДНК, белков, биомолекул и клеток. Для анализа связывания или переноса энергии от биологических структур (например белков) используют механизмы Ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) [53]. Для реализации механизма FRET в качестве донора используется исследуемый биологический объект (например, молекула белка), а в качестве акцептора могут быть использованы КТ.
Для этих целей поверхность КТ функционализируют специально выращенными лигандами, способными прикрепиться к сложной молекуле, причем расстояние от центра нанокристалла до молекулы должно находиться в пределах от 1 до 10 нм. При образовании пары донор-акцептор за счет диполь-дипольного взаимодействия происходит передача энергии без промежуточного испускания фотона. Это значит, что процесс передачи безызлучательный, а энергия будет передана акцептору (например, квантовой точке), которая в дальнейшем приведет к рождению фотона люминесценции КТ. Эффективность передачи энергии выше не только за счет пространственной близости двух объектов (эффективность FRET зависит от расстояния как R6), но и за счет перекрывания спектра возбуждения донора и спектра поглощения акцептора. КТ являются весьма перспективными акцепторами за счет широкого контура поглощения в синей области спектра, в котором поглощают многие биологические объекты.
Еще одна возможность использовать КТ в биологических целях основана на бактерицидных свойствах нанокристаллов на основе серебра. Хорошо известна способность ионов серебра блокировать действие различных типов вирусов, а также оказывать терапевтическое действие при лечении ряда вирусных заболеваний. В связи с этим развитие методов синтеза квантовых точек с использованием серебра, а также гибридных ассоциатов на их основе [54] позволит в дальнейшем создавать препараты с антимикробным действием.
Новые материалы ФОТОНИКИ
Одними из наиболее интересных новых материалов являются КТ на основе углерода, в т. ч. так называемые графеновые нанокристаллы [55]. Графеновые КТ не стоит путать с фуллеренами – сферами из атомов углерода. Обычно такие нанообъекты синтезируют из фрагментов графеновой ленты или нанотрубки [56], что делает их похожими скорее на хлопья. Благодаря природной химической инертности и амфифильности графеновые КТ потенциально применимы в различных биологических приложениях. Как и коллоидные полупроводниковые нанокристаллы графеновые КТ характеризуются наличием зависимой от размеров запрещенной зоны флуоресценции, которая возникает вследствие квантово-размерного эффекта. Вкупе эти особенности делают КТ из графена превосходными кандидатами на роль биосовместимых маркеров.
Еще одним интересным квантово-размерным объектом являются полностью неорганические перовскитные КТ (PeQD). В перспективе на их основе могут быть разработаны светоизлучающие устройства без содержания токсичных веществ (кадмия). Такие нанокристаллы схожи по свойствам с полупроводниковыми КТ и характеризуются возможностью управлять шириной запрещенной зоны во всем видимом спектре. Также они демонстрируют рекордные значения эффективного квантового выхода (93%) [57]. За счет своих фотофизических свойств перовскитные КТ нашли применение в разнообразных оптических приложениях: ячейки оптической памяти [58], фотодетекторы [59], солнечные элементы [60], лазеры [61], светодиоды [62].
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ в квантовых технологиях
Источники одиночных фотонов
Высокоэффективные источники одиночных фотонов являются ключевыми элементами для реализации, например, квантовых линий связи [63]. Наряду с одиночными атомами, органическими молекулами, центрами окраски в алмазах и др., в качестве таких управляемых источников могут быть использованы полупроводниковые КТ [64]. Основным способом изготовления источников однофотонного излучения на их основе является молекулярная эпитаксия, позволяющая с высокой точностью размещать КТ на подложках, а также внутри оптических волноводов и микрорезонаторов [65-67]. Существуют и другие инновационные методы управляемого синтеза таких структур, например, «прямое лазерное письмо» [68].
Широкий выбор полупроводниковых материалов позволяет получать источники с разной длиной волны излучения: КТ на основе GaN / AlGaN позволяют получать генерацию в ближнем УФ-диапазоне [69, 70](~280–330 нм), CdSe / ZnSe[71] и CdSe / ZnSSe[72] в видимом диапазоне (~550 нм), InGaAs / GaAs[73] (900 нм – 1,55 мкм) и InAs / InP [74] (~1,55 мкм) охватывают ИК-диапазон, в том числе и окна прозрачности оптического волокна на 1 310 и 1 550 нм. В то же время излучательными свойствами КТ можно управлять (рис. 5), например за счет взаимодействия с плазмонными наноструктурами [75].
Основными техническими параметрами, определяющими эффективность работы источников однофотонного излучения, являются значения автокорреляционной функции второго порядка
,
где (и – операторы рождения и уничтожения оптического поля, соответственно) и температурный диапазон, в котором возможна однофотонная генерация. Качество последней определяется значением g(2)(0). Для однофотонного излучения в идеальном случае g(2)(0) = 0 (так называемая «антигруппировка фотонов»), для реальных источников g(2)(0) принимает значения от 0 до 0,5, что обусловлено неидеальностью изготовленных КТ и невозможностью полностью исключить детектирование паразитного сигнала во время эксперимента [65]. На сегодняшний день, при температурах в несколько K типичные значения g(2)(0) для КТ составляют 0,02–0,25, максимально же достижимые рабочие температуры существенно колеблются для КТ различного химического состава и могут находиться как в пределах десятков K [76], так и достигать значений 300–350 К [77]. Качество однофотонной генерации ожидаемо ухудшается с ростом температуры и соответствует значениям g(2)(0) в пределах 0,2–0,5 для верхних границ рабочего температурного диапазона.
При контролируемом синтезе малых ансамблей взаимодействующих КТ с сильной связью можно реализовать многофотонные (перепутанные) состояния. Например, в случае оболочечных КТ точек с двойным излучающим ядром [78] или спаренных КТ [79] можно ожидать генерацию бифотонных состояний, также востребованных в задачах квантовой информатики.
Квантовая память
Еще одним перспективным приложением КТ в квантовых технологиях является их применение в реализации устройств квантовой памяти. В общем случае, принцип действия квантовой памяти основан на процессах управляемого поглощения и последующего переиспускания фотона [80]. От устройств, реализующих работу квантовой памяти, требуется максимально точная передача исходного квантового состояния, для ряда приложений играет роль время хранения квантового состояния и возможность одновременного хранения нескольких состояний [81, 82].
Пример практической реализации квантовой памяти, основанной на КТ InAs с помощью эпитаксии выращенных в матрице GaAs и помещенных внутрь оптического резонатора, представляющего собой одномерный фотонный кристалл (GaAs / AlAs), приводится в работе [83]. В такой схеме тонкий слой КТ располагается фактически внутри p-n перехода, образованного слоями GaAs / AlAs, дополнительно легированного, соответственно, атомами углерода и кремния. Процесс записи в квантовою память запускается при помощи слабого циркулярно-поляризованного светового импульса, возбуждающего в КТ экситон с определенным спиновым состоянием. Подобранная конфигурация потенциальных барьеров приводит к пространственной локализации электрона, в то время как дырка достаточно быстро (по сравнению с характерными временами рекомбинации экситона) туннелирует за пределы КТ. Переход к стадии считывания информации (записанной при помощи спина электрона) запускается подачей электрического импульса, возвращающего в КТ уже пару дырок. Одна из дырок рекомбинирует с электроном, приводя к излучению фотона с поляризацией, определяемой спином электрона (а значит и поляризацией поглощенного ранее фотона). В приведенном эксперименте удалось добиться времени хранения спинового состояния ~1 мкс при температуре ~10 K.
Квантовые сенсоры
Наконец, еще одним, важнейшим направлением прикладного использования КТ в квантовых технологиях является квантовая сенсорика. Чувствительность оптико-спектральных характеристик КТ к локальному окружению и внешним параметрам используется в квантовой сенсорике для характеризации нанодефектов [85], для сенсинга электрических полей [86], температуры [16, >87].
Заключение
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) и новые композитные материалы на их основе продолжая оставаться объектом интенсивных фундаментальных исследований, уже сейчас интенсивно внедряются в разнообразных фотонных приложениях. Зависимость функциональных свойств КТ-материалов от морфологии и химического состава КТ обеспечивает возможность их инжиниринга и детерминированного синтеза с заранее известными (расчетными) физико-химическими характеристиками. В свою очередь эти свойства могут известным образом зависеть от физико-химических параметров локального окружения, термодинамических и полевых характеристик. Все это объясняет растущий интерес к прикладному использованию КТ в разнообразных методах и инструментах фотоники. КТ уже нашли свои высокоэффективные приложения в индустрии источников света и смежных технологиях (светоизлучающие диоды, дисплеи, лазерные источники), солнечной энергетике (высокоэффективные и дешевые в производстве фотовольтаические элементы), системах безопасности и антиконтрафактных методиках. КТ являются одним из наиболее эффективных материалов для реализации элементной базы квантовых технологий (источники неклассического света для квантовых компьютеров и квантовых телекоммуникаций, элементная база квантовой памяти, квантовые сенсоры), новых оптических и оптоэлектронных устройств (нелинейные оптические преобразователи, переключатели, конверторы, детекторы), в том числе в бурно развивающихся технологиях интегральной (on-chip) оптики. Многообещающим представляется использование КТ в качестве наномаркеров при решении широкого круга задач биофотоники (флуоресцентная наноскопия, проточная цитометрия, тераностика, природоподобные технологии). Решение многих прикладных задач связано с поиском новых материалов и методов синтеза для производства КТ и нанокомпозитов на их основе (тонких пленок, изолированных КТ и их упорядоченных ансамблей, гибридных структур и метаматериалов), в том числе двумерных наноструктур (графен и графеноподобные материалы), КТ на основе углерода и германия, алмазных КТ с примесными центрами окраски, наночастиц из материалов со структурой перовскита, КТ со сложной геометрией и морфологией (многослойные гетероструктурные частицы, тетраподы, наностержни и нанопластины).
Благодарности
Обзор подготовлен в рамках выполнения работ по теме государственного задания Московского педагогического государственного университета (МПГУ) «Физика наноструктурированных материалов: фундаментальные исследования и приложения в материаловедении, нанотехнологиях и фотонике» при поддержке Министерства Просвещения Российской Федерации (AAAA-A20–120061890084-9). Авторы входят в состав Ведущей научной школы Российской Федерации (грант Президента РФ НШ‑776.2022.1.2).
Литература
Аржанов А. И., Савостьянов А. О., Магарян К. А., Каримуллин К. Р., Наумов А. В. Фотоника полупроводниковых квантовых точек: фундаментальные аспекты. Фотоника 2021, 15, 622–640, doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.8.622.641.
Vitukhnovsky A. G., Lebedev V. S., Selyukov A. S., Vashchenko A. A., Vasiliev R. B., Sokolikova M. S. Electroluminescence from colloidal semiconductor CdSe nanoplatelets in hybrid organic–inorganic light emitting diode. Chemical Physics Letters 2015, 619, 185–188, doi: 10.1016/j.cplett.2014.12.002.
Cho S., Kwag J., Jeong S., Baek Y., Kim S. Highly Fluorescent and Stable Quantum Dot-Polymer-Layered Double Hydroxide Composites. Chem. Mat. 2013, 25, 1071–1077, doi: 10.1021/cm3040505.
Choi M. K., Yang J., Hyeon T., Kim D. -H. Flexible quantum dot light-emitting diodes for next-generation displays. npj Flexible Electronics 2018, 2, 10, doi: 10.1038/s41528-018-0023-3.
Lee Y., Kim D. S., Jin S. W., Lee H., Jeong Y. R., You I., Zi G., Ha J. S. Stretchable array of CdSe/ZnS quantum-dot light emitting diodes for visual display of bio-signals. Chem. Eng. J. 2022, 427, 130858, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130858.
Bae W. K., Brovelli S., Klimov V. I. Spectroscopic insights into the performance of quantum dot light-emitting diodes. MRS Bull. 2013, 38, 721–730, doi: 10.1557/mrs.2013.182.
Chen B., Wan Y., Xie Z., Huang J., Shang C., Norman J., Li Q., Lau K. M., Gossard A. C., Bowers J. E. Quantum Dot Avalanche Photodetector on Si Substrate. In Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics, Washington, DC, 2020/05/10; p. SM3R.2.
Yakimov A. I., Dvurechenskii A. V., Kirienko V. V., Stepina N. P., Nikiforov A. I., Ul’yanov V. V., Chaikovskii S. V., Volodin V. A., Efremov M. D., Seksenbaev M. S. et al. Ge/Si waveguide photodiodes with built-in layers of Ge quantum dots for fiber-optic communication lines. Semiconductors 2004, 38, 1225–1229, doi: 10.1134/1.1808834.
Tretyakov I., Shurakov A., Perepelitsa A., Kaurova N., Svyatodukh S., Zilberley T., Ryabchun S., Smirnov M., Ovchinnikov O., Goltsman G. Room Temperature Silicon Detector for IR Range Coated with Ag2S Quantum Dots. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters 2019, 13, 1900187, doi: 10.1002/pssr.201900187.
Konstantatos G., Sargent E. H. Colloidal quantum dot photodetectors. Infrared Phys. Technol. 2011, 54, 278–282, doi: 10.1016/j.infrared.2010.12.029.
Lee S. J., Ku Z. Y., Barve A., Montoya J., Jang W. Y., Brueck S. R. J., Sundaram M., Reisinger A., Krishna S., Noh S. K. A monolithically integrated plasmonic infrared quantum dot camera. Nat Commun 2011, 2, 6, doi: 10.1038/ncomms1283.
Samartsev V. V., Mitrofanova T. G., Khasanov O. K. Two-Quantum Transient Holograms on the Exciton Levels of Semiconductor Quantum Dots. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021, 85, 216–218, doi: 10.3103/S1062873821020222.
Shesterikov A. V., Prokhorov A. V. Features of Plasmon Switching in a Graphene Nanoresonator Loaded with a Shell Quantum Dot. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020, 84, 319–323, doi: 10.3103/S1062873820030193.
Chizhov A. S., Rumyantseva M. N., Vasiliev R. B., Filatova D. G., Drozdov K. A., Krylov I. V., Marchevsky A. V., Karakulina O. M., Abakumov A. M., Gaskov A. M. Visible light activation of room temperature NO2 gas sensors based on ZnO, SnO2 and In2O3 sensitized with CdSe quantum dots. Thin Solid Films 2016, 618, 253–262, doi: 10.1016/j.tsf.2016.09.029.
Savchenko S. S., Vokhmintsev A. S., Weinstein I. A. Temperature dependence of the optical absorption spectra of InP/ZnS quantum dots. Tech. Phys. Lett. 2017, 43, 297–300, doi: 10.1134/S1063785017030221.
Karimullin K. R., Arzhanov A. I., Eremchev I. Y., Kulnitskiy B. A., Surovtsev N. V., Naumov A. V. Combined photon-echo, luminescence and Raman spectroscopies of layered ensembles of colloidal quantum dots. Laser Phys. 2019, 29, 124009, doi: 10.1088/1555-6611/ab4bdb.
Podshivaylov E. A., Kniazeva M. A., Gorshelev A. A., Eremchev I. Y., Naumov A. V., Frantsuzov P. A. Contribution of electron-phonon coupling to the luminescence spectra of single colloidal quantum dots. J. Chem. Phys. 2019, 151, 174710, doi: 10.1063/1.5124913.
Albers A. E., Chan E. M., McBride P. M., Ajo-Franklin C. M., Cohen B. E., Helms B. A. Dual-Emitting Quantum Dot/Quantum Rod-Based Nanothermometers with Enhanced Response and Sensitivity in Live Cells. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9565–9568, doi: 10.1021/ja302290e.
Rempel A. A., Kuznetsova Y. V., Dorosheva I. B., Valeeva A. A., Weinstein I. A., Kozlova E. A., Saraev A. A., Selishchev D. S. High Photocatalytic Activity Under Visible Light of Sandwich Structures Based on Anodic TiO2/CdS Nanoparticles/Sol–Gel TiO2. Top. Catal. 2020, 63, 130–138, doi: 10.1007/s11244-020-01226‑x.
Paek K., Yang H., Lee J., Park J., Kim B. J. Efficient Colorimetric pH Sensor Based on Responsive Polymer-Quantum Dot Integrated Graphene Oxide. ACS Nano 2014, 8, 2848–2856, doi: 10.1021/nn406657b.
Gladush M. G., Anikushina T. A., Gorshelev A. A., Plakhotnik T. V., Naumov A. V. Dispersion of Lifetimes of Excited States of Single Molecules in Organic Matrices at Ultralow Temperatures. J. Exp. Theor. Phys. 2019, 128, 655–663, doi: 10.1134/s1063776119030038.
Anikushina T. A., Gladush M. G., Gorshelev A. A., Naumov A. V. Single-molecule spectromicroscopy: a route towards sub-wavelength refractometry. Faraday Discuss. 2015, 184, 263–274, doi: 10.1039/c5fd00086f.
Naumov A. V., Gorshelev A. A., Gladush M. G., Anikushina T. A., Golovanova A. V., Koehler J., Kador L. Micro-Refractometry and Local-Field Mapping with Single Molecules. Nano Lett. 2018, 18, 6129–6134, doi: 10.1021/acs.nanolett.8b01753.
Pillonnet A., Fleury P., Chizhik A. I., Chizhik A. M., Amans D., Ledoux G., Kulzer F., Meixner A. J., Dujardin C. Local refractive index probed via the fluorescence decay of semiconductor quantum dots. Opt. Express 2012, 20, 3200–3208, doi: 10.1364/oe.20.003200.
Kwark Y., Sinton R., Gan J., Swanson R. M. IVB‑6 a 27‑percent efficient silicon solar cell. IEEE Trans. Electron Devices 1986, 33, 1855–1855, doi: 10.1109/T-ED.1986.22802.
Hao M., Bai Y., Zeiske S., Ren L., Liu J., Yuan Y., Zarrabi N., Cheng N., Ghasemi M., Chen P. et al. Ligand-assisted cation-exchange engineering for high-efficiency colloidal Cs1‑xFAxPbI3 quantum dot solar cells with reduced phase segregation. Nature Energy 2020, 5, 79–88, doi: 10.1038/s41560-019-0535-7.
Hu L., Zhao Q., Huang S., Zheng J., Guan X., Patterson R., Kim J., Shi L., Lin C. -H., Lei Q. et al. Flexible and efficient perovskite quantum dot solar cells via hybrid interfacial architecture. Nat Commun 2021, 12, 466, doi: 10.1038/s41467-020-20749-1.
Kurley J. M., Pan J. -A., Wang Y., Zhang H., Russell J. C., Pach G. F., To B., Luther J. M., Talapin D. V. Roll-To-Roll Friendly Solution-Processing of Ultrathin, Sintered CdTe Nanocrystal Photovoltaics. Acs Appl Mater Inter 2021, 13, 44165–44173, doi: 10.1021/acsami.1c08325.
Huffaker D. L., Park G., Zou Z., Shchekin O. B., Deppe D. G. 1.3 mu m room-temperature GaAs-based quantum-dot laser. Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2564–2566, doi: 10.1063/1.122534.
Kirstaedter N., Ledentsov N. N., Grundmann M., Bimberg D., Ustinov V. M., Ruvimov S. S., Maximov M. V., Kopev P. S., Alferov Z. I., Richter U. et al. LOW-THRESHOLD, LARGE T-O INJECTION-LASER EMISSION FROM (INGA)AS QUANTUM DOTS. Electronics Letters 1994, 30, 1416–1417, doi: 10.1049/el:19940939.
Klimov V. I., Mikhailovsky A. A., Xu S., Malko A., Hollingsworth J. A., Leatherdale C. A., Eisler H. J., Bawendi M. G. Optical gain and stimulated emission in nanocrystal quantum dots. Science 2000, 290, 314–317.
Roh J., Park Y. -S., Lim J., Klimov V. I. Optically pumped colloidal-quantum-dot lasing in LED-like devices with an integrated optical cavity. Nat Commun 2020, 11, 1–10.
le Feber B., Prins F., De Leo E., Rabouw F. T., Norris D. J. Colloidal-Quantum-Dot Ring Lasers with Active Color Control. Nano Lett. 2018, 18, 1028–1034, doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04495.
Xie W., Stöferle T., Raino G., Aubert T., Bisschop S., Zhu Y., Mahrt R. F., Geiregat P., Brainis E., Hens Z. On-Chip Integrated Quantum-Dot-Silicon-Nitride Microdisk Lasers. Adv. Mater. 2017, 29, 1604866.
Коэф Й., Фишер М., Легге М., Сейферт Й., Вернер Р., ЛАЗЕРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ БРЭГГОВСКИМИ РЕШЕТКАМИ НА КВАНТОВЫХ ЯМАХ, ТОЧКАХ И С КВАНТОВЫМИ КАСКАДАМИ. Фотоника 2008, 4, 12–17.
Maksimov A. A., Filatov E. V., Tartakovskii I. I. A Semiconductor Injection Laser with Circularly Polarized Radiation. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021, 85, 176–179, doi: 10.3103/S1062873821020192.
Sasikala V., Chitra K. All optical switching and associated technologies: a review. J Optics-Uk 2018, 47, 307–317, doi: 10.1007/s12596-018-0452-3.
Blatt R., Wineland D. Entangled states of trapped atomic ions. Nature 2008, 453, 1008–1015, doi: 10.1038/nature07125.
Shomroni I., Rosenblum S., Lovsky Y., Bechler O., Guendelman G., Dayan B. All-optical routing of single photons by a one-atom switch controlled by a single photon. Science 2014, 345, 903–906, doi: doi: 10.1126/science.1254699.
Firstenberg O., Peyronel T., Liang Q. -Y., Gorshkov A. V., Lukin M. D., Vuletić V. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature 2013, 502, 71–75, doi: 10.1038/nature12512.
Hwang J., Pototschnig M., Lettow R., Zumofen G., Renn A., Götzinger S., Sandoghdar V. A single-molecule optical transistor. Nature 2009, 460, 76–80, doi: 10.1038/nature08134.
Krivenkov V., Samokhvalov P., Nabiev I., Rakovich Y. Quantum dot-based plasmon-exciton emitters with improved one- and two-photon emission properties; SPIE: 2021; Vol. 11694.
Dutt M. V. G., Childress L., Jiang L., Togan E., Maze J., Jelezko F., Zibrov A. S., Hemmer P. R., Lukin M. D. Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond. Science 2007, 316, 1312–1316, doi: doi: 10.1126/science.1139831.
Kim H., Bose R., Shen T. C., Solomon G. S., Waks E. A quantum logic gate between a solid-state quantum bit and a photon. Nat. Photonics 2013, 7, 373–377, doi: 10.1038/nphoton.2013.48.
Wells L. M., Kalliakos S., Villa B., Ellis D. J. P., Stevenson R. M., Bennett A. J., Farrer I., Ritchie D. A., Shields A. J. Photon Phase Shift at the Few-Photon Level and Optical Switching by a Quantum Dot in a Microcavity. Phys. Rev. Appl. 2019, 11, 061001, doi: 10.1103/PhysRevApplied.11.061001.
Buterakos D., Barnes E., Economou S. E. Deterministic generation of all-photonic quantum repeaters from solid-state emitters. Phys Rev X 2017, 7, 041023.
Chen A. A., Derfus A. M., Khetani S. R., Bhatia S. N. Quantum dots to monitor RNAi delivery and improve gene silencing. Nucleic Acids Res. 2005, 33, e190‑e190, doi: 10.1093/nar/gni188.
Gongalsky M. B., Osminkina L. A., Pereira A., Manankov A. A., Fedorenko A. A., Vasiliev A. N., Solovyev V. V., Kudryavtsev A. A., Sentis M., Kabashin A. V. et al. Laser-synthesized oxide-passivated bright Si quantum dots for bioimaging. Sci Rep 2016, 6, doi: 10.1038/srep24732.
Zdobnova T. A., Dorofeev S. G., Tananaev P. N., Vasiliev R. B., Balandin T. G., Edelweiss E. F., Stremovskiy O. A., Balalaeva I. V., Turchin I. V., Lebedenko E. N. et al. Fluorescent immunolabeling of cancer cells by quantum dots and antibody scFv fragment. J. Biomed. Opt. 2009, 14, doi: 10.1117/1.3122775.
Eremchev I. Y., Eremchev M. Y., Naumov A. V. Multifunctional far-field luminescence nanoscope for studying single molecules and quantum dots (50th anniversary of the Institute of Spectroscopy, Russian Academy of Sciences). Phys. Usp. 2019, 62, 294–303, doi: 10.3367/UFNr.2018.06.038461.
Naumov A. V. Low temperature spectroscopy of organic molecules in solid matrices: from the Shpolsky effect to the laser luminescent spectromicroscopy for all effectively emitting single molecules. Phys. Usp. 2013, 56, 605–622, doi: 10.3367/UFNe.0183.201306f.0633.
Eremchev I. Yu., Prokopova D. V., Losevskii N. N., Mynzhasarov I. T., Kotova S. P., Naumov A. V. Three-dimensional fluorescence nanoscopy of single quantum emitters with highly efficient spatial phase modification of the point spread function based on spiral light beams. Phys. Usp. 2022, 10.3367/UFNe.2021.05.038982, doi: 10.3367/UFNe.2021.05.038982.
Stryer L. Fluorescence Energy Transfer as a Spectroscopic Ruler. Annu. Rev. Biochem. 1978, 47, 819–846, doi: 10.1146/annurev.bi.47.070178.004131.
Ovchinnikov O. V., Grevtseva I. G., Smirnov M. S., Kondratenko T. S., Perepelitsa A. S., Aslanov S. V., Khokhlov V. U., Tatyanina E. P., Matsukovich A. S. Effect of thioglycolic acid molecules on luminescence properties of Ag2S quantum dots. Opt. Quantum Electron. 2020, 52, doi: 10.1007/s11082-020-02314-8.
Pan D., Zhang J., Li Z., Wu M. Hydrothermal route for cutting graphene sheets into blue-luminescent graphene quantum dots. Adv Mater 2010, 22, 734–738, doi: 10.1002/adma.200902825.
Kvashnin A. G., Kvashnina O. P., Kvashnin D. G. Hydrogen adsorption study. Formation of quantum dots on graphene nanoribbons within tight-binding approach. Nanotechnology 2015, 26, 175704, doi: 10.1088/0957–4484/26/17/175704.
Chen W. -C., Fang Y. -H., Chen L. -G., Liang F. -C., Yan Z. -L., Ebe H., Takahashi Y., Chiba T., Kido J., Kuo C. -C. High luminescence and external quantum efficiency in perovskite quantum-dots light-emitting diodes featuring bilateral affinity to silver and short alkyl ligands. Chem. Eng. J. 2021, 414, 128866, doi: 10.1016/j.cej.2021.128866.
Chang Y. -H., Ku C. -W., Zhang Y. -H., Wang H. -C., Chen J. -Y. Ultrafast Responsive Non-Volatile Flash Photomemory via Spatially Addressable Perovskite/Block Copolymer Composite Film. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000764, doi: 10.1002/adfm.202000764.
Yang Y., Wei L., Pei J. Application of meta-analysis technique to assess effectiveness of HACCP-based FSM systems in Chinese SLDBs. Food Control 2019, 96, 291–298, doi: 10.1016/j.foodcont.2018.09.013.
Chen L. -C., Lee K. -L., Huang C. -Y., Lin J. -C., Tseng Z. -L. Preparation and Characteristics of MAPbBr3 Perovskite Quantum Dots on NiOx Film and Application for High Transparent Solar Cells. Micromachines 2018, 9, 205, doi: 10.3390/mi9050205.
Sutherland B. R., Sargent E. H. Perovskite photonic sources. Nat. Photonics 2016, 10, 295–302, doi: 10.1038/nphoton.2016.62.
Wang H. -C., Bao Z., Tsai H. -Y., Tang A. -C., Liu R. -S. Perovskite Quantum Dots and Their Application in Light-Emitting Diodes. Small 2018, 14, 1702433, doi: 10.1002/smll.201702433.
Wootters W. K., Zurek W. H. A Single Quantum Cannot be Cloned. Nature. 1982;299(5886):802–3.
Klimov V. V. Control of the emission of elementary quantum systems using metamaterials and nanometaparticles. Phys-Usp+. 2021;64(10):990–1020.
Arakawa Y., Holmes M. J. Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview. Applied Physics Reviews. 2020;7(2).
Somaschi N., Giesz V., De Santis L., Loredo J. C., Almeida M. P., Hornecker G. et al. Near-optimal single-photon sources in the solid state. Nature Photonics. 2016;10(5):340–745. DOI: 10.1038/nphoton.2016.23.
Wang H., He Y. M., Chung T. H., Hu H., Yu Y., Chen S. et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities. Nature Photonics. 2019;13(11):770–775. DOI: 10.1038/s41566-019-0494-3.
Vitukhnovsky A. G., Zvagelsky R. D., Kolymagin D. A., Pisarenko A. V., Chubich D. A. Three-Dimensional Optical Lithography and Nanoscale Optical Connectors. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2020;84(7):760–765. DOI: 10.3103/S1062873820070321.
Kako S., Holmes M., Sergent S., Burger M., As D. J., Arakawa Y. Single-photon emission from cubic GaN quantum dots. Applied Physics Letters. 2014;104(1). DOI: 10.1063/1.4858966.
Arita M., Le Roux F., Holmes M. J., Kako S., Arakawa Y. Ultraclean Single Photon Emission from a GaN Quantum Dot. Nano Letters. 2017;17(5):2902–7. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00109.
Tribu A., Sallen G., Aichele T., Andre R., Poizat J. P., Bougerol C. et al. A High-Temperature Single-Photon Source from Nanowire Quantum Dots. Nano Letters. 2008;8(12):4326-9. DOI: 10.1021/nl802160z.
Quitsch W., Kummell T., Gust A., Kruse C., Hommel D., Bacher G. Electrically driven single photon emission from a CdSe / ZnSSe single quantum dot at 200 K. Applied Physics Letters. 2014;105(9). DOI: 10.1063/1.4894729.
Dusanowski L., Holewa P., Marynski A., Musial A., Heuser T., Srocka N. et al. Triggered high-purity telecom-wavelength single-photon generation from p-shell-driven InGaAs / GaAs quantum dot. Optics Express. 2017;25(25):31122-9. DOI: 10.1364 / OE.25.031122.
Miyazawa T., Takemoto K., Nambu Y., Miki S., Yamashita T., Terai H. et al. Single-photon emission at 1.5 mu m from an InAs / InP quantum dot with highly suppressed multi-photon emission probabilities. Applied Physics Letters. 2016;109(13). DOI: 10.1063 / 1.4961888.
Kukushkin V. I., Mukhametzhanov I. M., Kukushkin I. V., Kulakovskii V. D., Sedova I. V., Sorokin S. V. et al. Control of semiconductor quantum dot emission intensity and polarization by metal nanoantennas. Physical Review B. 2014;90(23). DOI: 10.1103/PhysRevB.90.235313.
Zwiller V., Aichele T., Seifert W., Persson J., Benson O. Generating visible single photons on demand with single InP quantum dots. Applied Physics Letters. 2003;82(10):1509–1511. DOI: 10.1063/1.1558952.
Fedorych O., Kruse C., Ruban A., Hommel D., Bacher G., Kummell T. Room temperature single photon emission from an epitaxially grown quantum dot. Applied Physics Letters. 2012;100(6). DOI: 10.1063/1.3683498.
Torchynska T. V. Emission of double core infrared (CdSeTe) / ZnS quantum dots conjugated to antibodies. Journal of Luminescence. 2013;137:157–161. DOI: 10.1016/j.jlumin.2012.12.048.
Eremchev I. Y., Lozing N. A., Baev A. A., Tarasevich A. O., Gladush M. G., Rozhentsov A. A. et al. Luminescence Microscopy of Single Quantum Dot Pairs with Nanometer Spatial Resolution. Jetp Letters. 2018;108(1):30–37. DOI: 10.1134/S0021364018130076.
Heshami K., England D. G., Humphreys P. C., Bustard P. J., Acosta V. M., Nunn J. et al. Quantum memories: emerging applications and recent advances. J. Mod Optic. 2016;63(20):2005–2028. DOI: 10.1080/09500340.2016.1148212.
Simon C., Afzelius M., Appel J., de la Giroday A. B., Dewhurst S. J., Gisin N. et al. Quantum memories. European Physical Journal D. 2010;58(1):1–22. DOI: 10.1140/epjd/e2010-00103‑y.
Perminov N. S., Petrovnin K. V., Tarankova D. Y., Moiseev S. A. Optimization of Photon Molecules for Quantum Memory. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019;83(12):1459–1461. DOI: 10.3103/S1062873819120207.
Young R. J., Dewhurst S. J., Stevenson R. M., Atkinson P., Bennett A. J., Ward M. B. et al. Single electron-spin memory with a semiconductor quantum dot. New Journal of Physics. 2007;9. DOI: 10.1088/1367-2630/9/10/365.
Chekhovich E. A., Glazov M. M., Krysa A. B., Hopkinson M., Senellart P., Lemaitre A. et al. Element-sensitive measurement of the hole-nuclear spin interaction in quantum dots. Nat Phys. 2013;9(2):74–78. DOI: 10.1038/nphys2514.
Kerski J., Lochner P., Ludwig A., Wieck A. D., Kurzmann A., Lorke A. et al. Quantum Sensor for Nanoscale Defect Characterization. Physical Review Applied. 2021;15(2):13. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.024029.
Tsukanov A. V., Chekmachev V. G. Electric-field sensor based on a double quantum dot in a microcavity. Semiconductors. 2017;51(9):1200–1207. DOI: 10.1134/S1063782617090214.
Generalova A. N., Oleinikov V. A., Sukhanova A., Artemyev M. V., Zubov V. P., Nabiev I. Quantum dot-containing polymer particles with thermosensitive fluorescence. Biosensors & Bioelectronics. 2013;39(1):187–193. DOI: 10.1117/12.931427.
АВТОРЫ
А. И. Аржанов, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия.
ORCID: 0000-0001-9305-067X
А. О. Савостьянов, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия.
ORCID: 0000-0001-8815-8440
К. А. Магарян, Московский педагогический государственный университет, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4754-4657
К. Р. Каримуллин, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия.
ORCID: 0000-0001-6799-2479
А. В. Наумов, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия. www.single-molecule.ru.
ORCID: 0000-0001-7938-9802
А. И. Аржанов 1, 2, 3, А. О. Савостьянов 1, 2, 3, К. А. Магарян 1, К. Р. Каримуллин 1, 2, 3, А. В. Наумов 1, 2, 3
Московский педагогический государственный университет, Москва, Россия
Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва, Россия
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Троицк, Москва, Россия
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, что открывает широкие возможности их прикладного использования в методах и инструментах современной фотоники. В данной статье рассматриваются возможные приложения КТ. Обсуждаются как существующие устройства, так и перспективы разработки новых методов и приборов фотоники. Рассмотрены инновационные подходы применения КТ в различных областях современных фотонных технологий: оптоэлектронике, биофизике, квантовой оптике, сенсорике, фотовольтаике.
Ключевые слова: квантово-размерный эффект, квантовые точки, светодиоды на квантовых точках, интегральная фотоника, лазеры на квантовых точках, оптические переключатели, детекторы на квантовых точках, фотовольтаика, флуоресцентная наноскопия, биомаркеры, адресная доставка лекарств
Статья получена: 10.01.2022
Статья принята к публикации: 24.01.2022
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, зависящими от их морфологии и химического состава, а также термодинамических параметров и свойств окружающей среды (характеристики электромагнитного поля, кислотность, влажность, химический состав и т. п.) [1]. Найденные в исследованиях фундаментальные закономерности (подробно эти вопросы были освещены в первой части данного обзора в [1]), определяющие эти связи, позволяют осуществлять инжиниринг и управляемый синтез КТ и нанокомпозитов на их основе с заданными свойствами. Благодаря этому обстоятельству КТ все чаще находят применения в различных отраслях науки и технологиях, и, в первую очередь, в различных приложениях фотоники.
Условно можно выделить несколько основных областей применения КТ (см. схему на рис. 1):
- Источники света (включая светоизлучающие диоды, лазерные источники, световые конверторы, источники неклассического света).
- Дисплеи и многокомпонентные экраны.
- Люминесцирующие маркеры – нанометки для различных приложений, включая нанодиагностику конденсированных сред и нанокомпозитов, медицинскую диагностику и тераностику, адресную доставку лекарств.
- Новые наноматериалы, включая квазидвумерные наноструктуры, природоподобные материалы (например, нейроморфные структуры).
- Световые преобразователи и конверторы, включая элементную базу нелинейной оптики и спектроскопии, световые переключатели (оптические транзисторы), детекторы на различные диапазоны спектра электромагнитного излучения.
- Элементная база квантовых технологий, включая источники неклассического света, квантовую память, квантовые сенсоры.
- Элементная база солнечной энергетики (фотовольтаические элементы).
В данной статье эти направления прикладного использования КТ будут рассмотрены подробно с отсылкой к фундаментальным характеристикам новых материалов, описанных в недавней статье [1].
Источники света и LED
КТ могут быть использованы в качестве ярких излучателей как альтернатива органическим люминофорам [2]. Светодиоды на основе КТ за счет высокого квантового выхода обладают более высокой эффективностью по сравнению с органическими соединениями [3].
Органические люминофоры характеризуются широким спектром излучения, что ограничивает возможности производителей точно настраивать цветовую температуру источника путем смешения излучения нескольких люминофоров (например, синего и желтого). Спектральными свойствами люминофоров на основе КТ можно управлять благодаря эффекту размерного квантования, подбирая спектр свечения за счет использования заданного распределения размеров КТ. Такой люминофор можно возбуждать обычным синим светодиодом благодаря наличию широкого спектра поглощения.
Светодиоды на основе КТ находят применение в быту, став основой технологии, пришедшей на замену привычным органическим ЖК-дисплеям. КТ, используемые в качестве источников излучения в технологии QLED, позволяют создавать дисплеи с высокой яркостью и повышенной цветопередачей. Уже ведутся разработки нового поколения дисплеев (гибкие, прозрачные) на основе КТ, интегрированных с модулями беспроводной связи для использования в носимой электронике [4]. Также продемонстрированы возможности создания носимых устройств с дисплеями на основе массивов КТ для отображения различных биофункциональных параметров живых организмов (например, дистанционная медицинская диагностика). Массивы из КТ, выращенных на эластомерной поверхности, могут прикрепляться к коже и имеют свойство растяжения и низкого энергопотребления. Данное устройство способно визуально отображать сигналы движения тела и температуры кожи от периферийных датчиков [5]. Основным недостатком, ограничивающим широкое внедрение данной технологии, является то обстоятельство, что массив КТ переизлучает свет внешнего источника возбуждения (матрицы светодиодов), а не является самостоятельным источником излучения. В настоящее время ведется активный поиск способов создания отдельных RGB пикселов на основе электролюминесцирующих полупроводниковых нанокристаллов, однако на сегодняшний день технология ограничивается лишь использованием наночастиц в качестве преобразователей частоты излучения [6].
Преобразователи и детекторы света
Поговорим о возможностях преобразования излучения с использованием КТ в качестве детекторов. В настоящее время наибольшее распространение в различных фотоприемниках и матричных сенсорах, функционирующих в видимом диапазоне, получили элементы на основе кремния или других полупроводниковых гетероструктур. Однако такие детекторы имеют ограниченный рабочий спектральный диапазон от 400 до 1000 нм. Расширение диапазона в ближнюю (1,3–1,5 мкм) и среднюю (20–200 мкм) ИК-область может стать возможным благодаря использованию КТ на фотоактивной поверхности Si [7]. Интерес к продвижению высокочувствительной детекторной техники в ИК-диапазон связан с бурным развитием оптоэлектронных технологий и телекоммуникаций, новыми задачами квантовой оптики и неинвазивной медицинской диагностики.
Работы по созданию таких детекторов ведутся в настоящее время, в частности удалось создать такие преобразователи не только с использованием эпитаксиальных КТ на наногетероструктурах [8], но и коллоидных КТ [9]. В исследованиях было показано, что осаждение коллоидных КТ на поверхность кремния позволяет уменьшить окно прозрачности полупроводника в ИК-диапазоне за счет создания примесных состояний в запрещенной зоне кремния. Учитывая тот факт, что коллоидные КТ достаточно просты в изготовлении и обладают широкими возможностями по управлению спектральными свойствами, можно полагать, что исследования в данном направлении могут дать мощный импульс для совершенствования кремниевых оптоэлектронных устройств.
Значительный прогресс в разработке детекторов света достигнут при использовании коллоидных квантовых точек PbS, PbSe, Bi2S3, In2S3 [10], что применяется в гибкой электронике и CMOS-технологиях.
Будучи легко интегрируемыми в различные метаматериалы и гетероструктуры, КТ позволяют перейти к конструированию нового поколения устройств интегральной фотоники. Так в [11] продемонстрирована возможность создания высокочувствительной камеры на средний ИК-диапазон на основе массива плазмонных структур, интегрированных с системой квантовых точек внутри квантовых ям.
Системы с КТ могут быть использованы и для более сложного преобразования световых потоков. Так в [12] было предложено использовать экситонные уровни полупроводниковых КТ типа CdSe / CdS / ZnS для записи и считывания двухквантовых транзиент-голограмм.
В свою очередь нанометровые размеры КТ позволяют рассматривать их использование в фотонных и оптикоэлектронных преобразователях интегральной оптики. Например, в [13] был рассмотрен эффект плазмонного переключения для поверхностных плазмон-поляритонов в графеновом волноводе, интегрированном с штыревым нанорезонатором с КТ. Обнаруженный эффект потенциально обеспечивает возможность управления световыми потоками ИК-диапазона, локализованных в устройстве с размерами 20 нм.
Сенсорные технологии
Высокая чувствительность оптико-спектральных параметров КТ к характеристикам внешнего окружения открывает возможность разработки на их основе различных сенсорных устройств. Например, селективное изменение физико-химических свойств композитов с КТ при контакте с различными веществами положено в основу газовых сенсоров (NO2) [14].
Температурная зависимость спектральных характеристик КТ может стать основой температурных сенсоров [15, 16] и наносенсоров [17, 18].
Создание композитов с КТ обеспечивает существенное повышение эффективности работы фотокаталитических систем [19].
Сопряжение квантовых точек со сложными нанокомпозитами дает возможность высокочувствительного детектирования других физико-химических параметров сред, например в [20] предложено использовать композит полимер-КТ-оксид графена в качестве высокочувствительного pH-сенсора.
Еще один пример использования квантовых точек в качестве сенсоров материальных характеристик среды связан с эффектами локального поля, проявляющимися в зависимости времени жизни возбужденного состояния КТ от значения показателя преломления среды (диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости) [21, 22]. В связи с этим, люминесцирующие КТ могут быть использованы в оригинальной технике микрорефрактометрии для определения показателя преломления среды и картирования его флуктуаций, в т. ч. на субмикрометровых масштабах [23, 24].
Солнечная энергетика (фотовольтаика)
В последние годы во всем мире активно развиваются технологии солнечной энергетики. До самого последнего времени основой солнечных панелей является кремний, именно на его основе разработаны и внедрены в реальный сектор экономики наиболее эффективные преобразователи излучения, используемые в солнечной энергетике.
По данным Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) (рис. 3) кремниевые фотовольтаические ячейки обладают достаточно высокой эффективностью преобразования энергии (до 27,6%) [25]. Инжиниринг же многопереходных фотовольтаических элементов обеспечивает увеличение эффективности преобразования вплоть до 47%.
В то же время следует отметить существенные проблемы кремниевой оптоэлектроники – дороговизна и сложность производства.
На сегодняшний день наблюдается интенсивной рост общей мощности генерации электроэнергии с использованием солнечных электростанций (рис. 4). При этом растущие мощности и без того энерго- и ресурсозатратного полупроводникового производства (кремниевых фотовольтаических элементов) приводят к изменению климата на планете, в связи с чем остро встает проблема поиска новых материалов для изготовления солнечных ячеек.
Все чаще в качестве основы светопреобразующих элементов (фотовольтаических ячеек) выступают полупроводниковые нанокристаллы – КТ и композиты (в том числе, гибридные) на их основе. Благодаря наличию широкого спектра поглощения КТ могут эффективно поглощать от УФ- до дальнего ИК-диапазона спектра электромагнитного излучения, что делает их перспективными для использования в солнечной энергетике. КТ уже сейчас занимают определенную нишу в этой области, и с каждым годом эффективность преобразования энергии с их использованием растет. Согласно [26], в настоящее время достигнуто значение эффективности 16,6% для коллоидных перовскитных КТ. Свойства коллоидных растворов нанокристаллов позволяют использовать их для изготовления экзотических фотовольтаических материалов (например, гибких солнечных элементов) [27]. На сегодняшний день существует множество методов изготовления солнечных панелей из коллоидных растворов, среди которых особо следует выделить технологию roll-to-roll (R2R) [28]. Суть метода заключается в осаждении коллоидных растворов путём шаберного нанесения, напыления или инжекционного нанесения коллоидных растворов на гибкую основу с последующим запеканием для получения однородного слоя фотоактивного вещества. Благодаря такой технологии удалось не только создать ультратонкие солнечные элементы, но и существенно удешевить производство фотовольтаических элементов на основе коллоидных КТ.
Лазеры на квантовых точках
За минувшие шесть десятков лет после изобретения лазера полупроводниковые материалы прекрасно зарекомендовали себя в качестве лазерных сред. После значительного прогресса в синтезе коллоидных КТ в середине 90‑х годов вопрос о перспективах их применения для изготовления высокоэффективных, но в то же время крайне компактных лазерных сред, встал особенно остро. Основные преимущества нанокристаллов относительно традиционных объемных материалов, так или иначе, связаны с эффектами размерного квантования, позволяющими достичь достаточно низкого значения порога лазерной генерации при высокой термостабильности и возможности подстраивать длину волны излучения за счет использования КТ различных размеров.
Исследования возможностей лазерной генерации в системах на основе КТ были начаты достаточно давно, и в конце 1990‑х прототипы таких лазеров увидели свет [29,30].
Выяснилось, однако, что достижение генерации в полупроводниковых нанокристаллах является весьма сложной задачей. Для создания инверсной заселенности в КТ необходимо возбудить как минимум пару экситонов. Казалось бы, этого не сложно добиться, возбуждая КТ мощными фемтосекундными лазерными импульсами, однако, как обнаружилось, экситоны в КТ размера порядка нескольких нанометров способны достаточно быстро обмениваться энергией (так называемая Оже-рекомбинация), что препятствует созданию инверсной заселенности, необходимой для достижения лазерной генерации.
Эта трудность впервые была преодолена в работе научной группы В. Климова [31], где впервые была продемонстрирована возможность получения инверсной населенности в плотноупакованных слоях нанокристалов CdSe с размером 1,2 нм. Измеренные для данных КТ характерные времена безызлучательного перехода между возбуждаемым и заселяемым уровнями составила впечатляющие сотни фемтосекунд как для электронов, так и для дырок, что на порядок меньше времен Оже-рекомбинации (~6 пс для КТ CdSe указанного радиуса).
В дальнейшем был предложен способ осуществления лазерной генерации в КТ и без возбуждения мультиэкситонов (Single-exciton optical gain in semiconductor nanocrystals).
Материал и диаметр КТ (CdS / ZnSe) были подобраны таким образом, чтобы при возбуждении экситона лазерным импульсом осуществлялось его пространственное разделение, причем электрон оказался локализованным в ядре КТ, а дырка – в ее оболочке. Возникающее при этом локальное электрическое поле достаточно велико (~100 мэВ), что значительно изменяет энергию экситона, рождаемого при следующем акте возбуждения. Как результат, в возбуждаемых последовательными импульсами КТ наблюдается сдвиг полос поглощения, что в свою очередь позволяет создавать в них инверсную населенность. Понимание природы и механизмов этих процессов открыло путь к созданию лазеров на КТ с низким порогом генерации, реализации оптического усиления электрической инжекцией, а также разработке лазеров с оптической накачкой, стандартного светоизлучающего диода с электрическим возбуждением и on-chip лазеров [32–34].
Эффективная лазерная генерация может быть достигнута в структурах с распределенными брэгговскими решетками на квантовых ямах, точках и с квантовыми каскадами [35]. Интеграция квантовых точек InAs в планарный GaAs волновод полупроводниковой наноструктуры, сопряженный с полупроводниковым лазером с электрической накачкой на основе AlAs / AlGaAs микрорезонатора с квантовыми ямами GaAs в активной области, позволяет реализовать циркулярно-поляризованное излучение [36].
Оптические переключатели
Актуальной задачей использования КТ является разработка новых фотонных логических элементов и создание вычислительных архитектур. На замену базовым логическим элементам электроники – транзисторам – приходят оптически активные нанообъекты.
За счет их масштабируемости и квантового поведения они представляют большой интерес для создания фотонных устройств обработки сигналов [37]. На данный момент разработано множество наноразмерных логических устройств, работающих на системах из захваченых ионов [38] и одиночных атомов [39], нелинейных материалах [40], одиночных молекулах [41], плазмонных наночастицах [42], вакансионных центрах окраски в алмазах [43] и других. В качестве активного материала для таких систем можно использовать и полупроводниковые коллоидные КТ, которые являются источником одиночных фотонов.
Полностью функционирующая логика была создана на одиночных полупроводниковых КТ, включающая в себя высокоточные вентили с квантовым управлением [44], фотонные переключатели [45], а также повторители [46]. По аналогии с транзисторами оптические элементы логики могут быть использованы для разработки и построения полностью оптических интегральных микросхем, что может сильно повлиять на прогресс квантовых фотонных технологий в ближайшем будущем.
Флуоресцентная наноскопия, биомаркеры и адресная доставка ЛЕКАРСТВ
Квантовые точки используются в качестве эффективных флуоресцентных меток, для доставки лекарств, мониторинга процесса метаболизма лекарств в организме благодаря своим уникальным физико-химическим характеристикам. Другие биомедицинские приложения КТ включают в себя создание чувствительных сенсоров для обнаружения заболеваний и проведение флуоресцентных анализов для разработки новых лекарственных препаратов [47–49].
В последние годы активно развиваются методы флуоресцентной наноскопии (микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения), где КТ могут выступать в качестве одиночных точечных излучателей-маркеров [50,51]. Методы наноскопии развиваются в том числе и в направлении трехмерной визуализации наноструктуры исследуемого объекта, трекинга наночастиц [52].
C конца 1990‑х годов количество различных областей применения квантовых точек в биологии и медицине растет в геометрической прогрессии. Полупроводниковые наночастицы активно используются в качестве флуоресцентных меток для биоаналитических целей, таких как обнаружение ДНК, белков, биомолекул и клеток. Для анализа связывания или переноса энергии от биологических структур (например белков) используют механизмы Ферстеровского резонансного переноса энергии (FRET) [53]. Для реализации механизма FRET в качестве донора используется исследуемый биологический объект (например, молекула белка), а в качестве акцептора могут быть использованы КТ.
Для этих целей поверхность КТ функционализируют специально выращенными лигандами, способными прикрепиться к сложной молекуле, причем расстояние от центра нанокристалла до молекулы должно находиться в пределах от 1 до 10 нм. При образовании пары донор-акцептор за счет диполь-дипольного взаимодействия происходит передача энергии без промежуточного испускания фотона. Это значит, что процесс передачи безызлучательный, а энергия будет передана акцептору (например, квантовой точке), которая в дальнейшем приведет к рождению фотона люминесценции КТ. Эффективность передачи энергии выше не только за счет пространственной близости двух объектов (эффективность FRET зависит от расстояния как R6), но и за счет перекрывания спектра возбуждения донора и спектра поглощения акцептора. КТ являются весьма перспективными акцепторами за счет широкого контура поглощения в синей области спектра, в котором поглощают многие биологические объекты.
Еще одна возможность использовать КТ в биологических целях основана на бактерицидных свойствах нанокристаллов на основе серебра. Хорошо известна способность ионов серебра блокировать действие различных типов вирусов, а также оказывать терапевтическое действие при лечении ряда вирусных заболеваний. В связи с этим развитие методов синтеза квантовых точек с использованием серебра, а также гибридных ассоциатов на их основе [54] позволит в дальнейшем создавать препараты с антимикробным действием.
Новые материалы ФОТОНИКИ
Одними из наиболее интересных новых материалов являются КТ на основе углерода, в т. ч. так называемые графеновые нанокристаллы [55]. Графеновые КТ не стоит путать с фуллеренами – сферами из атомов углерода. Обычно такие нанообъекты синтезируют из фрагментов графеновой ленты или нанотрубки [56], что делает их похожими скорее на хлопья. Благодаря природной химической инертности и амфифильности графеновые КТ потенциально применимы в различных биологических приложениях. Как и коллоидные полупроводниковые нанокристаллы графеновые КТ характеризуются наличием зависимой от размеров запрещенной зоны флуоресценции, которая возникает вследствие квантово-размерного эффекта. Вкупе эти особенности делают КТ из графена превосходными кандидатами на роль биосовместимых маркеров.
Еще одним интересным квантово-размерным объектом являются полностью неорганические перовскитные КТ (PeQD). В перспективе на их основе могут быть разработаны светоизлучающие устройства без содержания токсичных веществ (кадмия). Такие нанокристаллы схожи по свойствам с полупроводниковыми КТ и характеризуются возможностью управлять шириной запрещенной зоны во всем видимом спектре. Также они демонстрируют рекордные значения эффективного квантового выхода (93%) [57]. За счет своих фотофизических свойств перовскитные КТ нашли применение в разнообразных оптических приложениях: ячейки оптической памяти [58], фотодетекторы [59], солнечные элементы [60], лазеры [61], светодиоды [62].
КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ в квантовых технологиях
Источники одиночных фотонов
Высокоэффективные источники одиночных фотонов являются ключевыми элементами для реализации, например, квантовых линий связи [63]. Наряду с одиночными атомами, органическими молекулами, центрами окраски в алмазах и др., в качестве таких управляемых источников могут быть использованы полупроводниковые КТ [64]. Основным способом изготовления источников однофотонного излучения на их основе является молекулярная эпитаксия, позволяющая с высокой точностью размещать КТ на подложках, а также внутри оптических волноводов и микрорезонаторов [65-67]. Существуют и другие инновационные методы управляемого синтеза таких структур, например, «прямое лазерное письмо» [68].
Широкий выбор полупроводниковых материалов позволяет получать источники с разной длиной волны излучения: КТ на основе GaN / AlGaN позволяют получать генерацию в ближнем УФ-диапазоне [69, 70](~280–330 нм), CdSe / ZnSe[71] и CdSe / ZnSSe[72] в видимом диапазоне (~550 нм), InGaAs / GaAs[73] (900 нм – 1,55 мкм) и InAs / InP [74] (~1,55 мкм) охватывают ИК-диапазон, в том числе и окна прозрачности оптического волокна на 1 310 и 1 550 нм. В то же время излучательными свойствами КТ можно управлять (рис. 5), например за счет взаимодействия с плазмонными наноструктурами [75].
Основными техническими параметрами, определяющими эффективность работы источников однофотонного излучения, являются значения автокорреляционной функции второго порядка
,
где (и – операторы рождения и уничтожения оптического поля, соответственно) и температурный диапазон, в котором возможна однофотонная генерация. Качество последней определяется значением g(2)(0). Для однофотонного излучения в идеальном случае g(2)(0) = 0 (так называемая «антигруппировка фотонов»), для реальных источников g(2)(0) принимает значения от 0 до 0,5, что обусловлено неидеальностью изготовленных КТ и невозможностью полностью исключить детектирование паразитного сигнала во время эксперимента [65]. На сегодняшний день, при температурах в несколько K типичные значения g(2)(0) для КТ составляют 0,02–0,25, максимально же достижимые рабочие температуры существенно колеблются для КТ различного химического состава и могут находиться как в пределах десятков K [76], так и достигать значений 300–350 К [77]. Качество однофотонной генерации ожидаемо ухудшается с ростом температуры и соответствует значениям g(2)(0) в пределах 0,2–0,5 для верхних границ рабочего температурного диапазона.
При контролируемом синтезе малых ансамблей взаимодействующих КТ с сильной связью можно реализовать многофотонные (перепутанные) состояния. Например, в случае оболочечных КТ точек с двойным излучающим ядром [78] или спаренных КТ [79] можно ожидать генерацию бифотонных состояний, также востребованных в задачах квантовой информатики.
Квантовая память
Еще одним перспективным приложением КТ в квантовых технологиях является их применение в реализации устройств квантовой памяти. В общем случае, принцип действия квантовой памяти основан на процессах управляемого поглощения и последующего переиспускания фотона [80]. От устройств, реализующих работу квантовой памяти, требуется максимально точная передача исходного квантового состояния, для ряда приложений играет роль время хранения квантового состояния и возможность одновременного хранения нескольких состояний [81, 82].
Пример практической реализации квантовой памяти, основанной на КТ InAs с помощью эпитаксии выращенных в матрице GaAs и помещенных внутрь оптического резонатора, представляющего собой одномерный фотонный кристалл (GaAs / AlAs), приводится в работе [83]. В такой схеме тонкий слой КТ располагается фактически внутри p-n перехода, образованного слоями GaAs / AlAs, дополнительно легированного, соответственно, атомами углерода и кремния. Процесс записи в квантовою память запускается при помощи слабого циркулярно-поляризованного светового импульса, возбуждающего в КТ экситон с определенным спиновым состоянием. Подобранная конфигурация потенциальных барьеров приводит к пространственной локализации электрона, в то время как дырка достаточно быстро (по сравнению с характерными временами рекомбинации экситона) туннелирует за пределы КТ. Переход к стадии считывания информации (записанной при помощи спина электрона) запускается подачей электрического импульса, возвращающего в КТ уже пару дырок. Одна из дырок рекомбинирует с электроном, приводя к излучению фотона с поляризацией, определяемой спином электрона (а значит и поляризацией поглощенного ранее фотона). В приведенном эксперименте удалось добиться времени хранения спинового состояния ~1 мкс при температуре ~10 K.
Квантовые сенсоры
Наконец, еще одним, важнейшим направлением прикладного использования КТ в квантовых технологиях является квантовая сенсорика. Чувствительность оптико-спектральных характеристик КТ к локальному окружению и внешним параметрам используется в квантовой сенсорике для характеризации нанодефектов [85], для сенсинга электрических полей [86], температуры [16, >87].
Заключение
Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки) и новые композитные материалы на их основе продолжая оставаться объектом интенсивных фундаментальных исследований, уже сейчас интенсивно внедряются в разнообразных фотонных приложениях. Зависимость функциональных свойств КТ-материалов от морфологии и химического состава КТ обеспечивает возможность их инжиниринга и детерминированного синтеза с заранее известными (расчетными) физико-химическими характеристиками. В свою очередь эти свойства могут известным образом зависеть от физико-химических параметров локального окружения, термодинамических и полевых характеристик. Все это объясняет растущий интерес к прикладному использованию КТ в разнообразных методах и инструментах фотоники. КТ уже нашли свои высокоэффективные приложения в индустрии источников света и смежных технологиях (светоизлучающие диоды, дисплеи, лазерные источники), солнечной энергетике (высокоэффективные и дешевые в производстве фотовольтаические элементы), системах безопасности и антиконтрафактных методиках. КТ являются одним из наиболее эффективных материалов для реализации элементной базы квантовых технологий (источники неклассического света для квантовых компьютеров и квантовых телекоммуникаций, элементная база квантовой памяти, квантовые сенсоры), новых оптических и оптоэлектронных устройств (нелинейные оптические преобразователи, переключатели, конверторы, детекторы), в том числе в бурно развивающихся технологиях интегральной (on-chip) оптики. Многообещающим представляется использование КТ в качестве наномаркеров при решении широкого круга задач биофотоники (флуоресцентная наноскопия, проточная цитометрия, тераностика, природоподобные технологии). Решение многих прикладных задач связано с поиском новых материалов и методов синтеза для производства КТ и нанокомпозитов на их основе (тонких пленок, изолированных КТ и их упорядоченных ансамблей, гибридных структур и метаматериалов), в том числе двумерных наноструктур (графен и графеноподобные материалы), КТ на основе углерода и германия, алмазных КТ с примесными центрами окраски, наночастиц из материалов со структурой перовскита, КТ со сложной геометрией и морфологией (многослойные гетероструктурные частицы, тетраподы, наностержни и нанопластины).
Благодарности
Обзор подготовлен в рамках выполнения работ по теме государственного задания Московского педагогического государственного университета (МПГУ) «Физика наноструктурированных материалов: фундаментальные исследования и приложения в материаловедении, нанотехнологиях и фотонике» при поддержке Министерства Просвещения Российской Федерации (AAAA-A20–120061890084-9). Авторы входят в состав Ведущей научной школы Российской Федерации (грант Президента РФ НШ‑776.2022.1.2).
Литература
Аржанов А. И., Савостьянов А. О., Магарян К. А., Каримуллин К. Р., Наумов А. В. Фотоника полупроводниковых квантовых точек: фундаментальные аспекты. Фотоника 2021, 15, 622–640, doi: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.8.622.641.
Vitukhnovsky A. G., Lebedev V. S., Selyukov A. S., Vashchenko A. A., Vasiliev R. B., Sokolikova M. S. Electroluminescence from colloidal semiconductor CdSe nanoplatelets in hybrid organic–inorganic light emitting diode. Chemical Physics Letters 2015, 619, 185–188, doi: 10.1016/j.cplett.2014.12.002.
Cho S., Kwag J., Jeong S., Baek Y., Kim S. Highly Fluorescent and Stable Quantum Dot-Polymer-Layered Double Hydroxide Composites. Chem. Mat. 2013, 25, 1071–1077, doi: 10.1021/cm3040505.
Choi M. K., Yang J., Hyeon T., Kim D. -H. Flexible quantum dot light-emitting diodes for next-generation displays. npj Flexible Electronics 2018, 2, 10, doi: 10.1038/s41528-018-0023-3.
Lee Y., Kim D. S., Jin S. W., Lee H., Jeong Y. R., You I., Zi G., Ha J. S. Stretchable array of CdSe/ZnS quantum-dot light emitting diodes for visual display of bio-signals. Chem. Eng. J. 2022, 427, 130858, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130858.
Bae W. K., Brovelli S., Klimov V. I. Spectroscopic insights into the performance of quantum dot light-emitting diodes. MRS Bull. 2013, 38, 721–730, doi: 10.1557/mrs.2013.182.
Chen B., Wan Y., Xie Z., Huang J., Shang C., Norman J., Li Q., Lau K. M., Gossard A. C., Bowers J. E. Quantum Dot Avalanche Photodetector on Si Substrate. In Proceedings of Conference on Lasers and Electro-Optics, Washington, DC, 2020/05/10; p. SM3R.2.
Yakimov A. I., Dvurechenskii A. V., Kirienko V. V., Stepina N. P., Nikiforov A. I., Ul’yanov V. V., Chaikovskii S. V., Volodin V. A., Efremov M. D., Seksenbaev M. S. et al. Ge/Si waveguide photodiodes with built-in layers of Ge quantum dots for fiber-optic communication lines. Semiconductors 2004, 38, 1225–1229, doi: 10.1134/1.1808834.
Tretyakov I., Shurakov A., Perepelitsa A., Kaurova N., Svyatodukh S., Zilberley T., Ryabchun S., Smirnov M., Ovchinnikov O., Goltsman G. Room Temperature Silicon Detector for IR Range Coated with Ag2S Quantum Dots. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters 2019, 13, 1900187, doi: 10.1002/pssr.201900187.
Konstantatos G., Sargent E. H. Colloidal quantum dot photodetectors. Infrared Phys. Technol. 2011, 54, 278–282, doi: 10.1016/j.infrared.2010.12.029.
Lee S. J., Ku Z. Y., Barve A., Montoya J., Jang W. Y., Brueck S. R. J., Sundaram M., Reisinger A., Krishna S., Noh S. K. A monolithically integrated plasmonic infrared quantum dot camera. Nat Commun 2011, 2, 6, doi: 10.1038/ncomms1283.
Samartsev V. V., Mitrofanova T. G., Khasanov O. K. Two-Quantum Transient Holograms on the Exciton Levels of Semiconductor Quantum Dots. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021, 85, 216–218, doi: 10.3103/S1062873821020222.
Shesterikov A. V., Prokhorov A. V. Features of Plasmon Switching in a Graphene Nanoresonator Loaded with a Shell Quantum Dot. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020, 84, 319–323, doi: 10.3103/S1062873820030193.
Chizhov A. S., Rumyantseva M. N., Vasiliev R. B., Filatova D. G., Drozdov K. A., Krylov I. V., Marchevsky A. V., Karakulina O. M., Abakumov A. M., Gaskov A. M. Visible light activation of room temperature NO2 gas sensors based on ZnO, SnO2 and In2O3 sensitized with CdSe quantum dots. Thin Solid Films 2016, 618, 253–262, doi: 10.1016/j.tsf.2016.09.029.
Savchenko S. S., Vokhmintsev A. S., Weinstein I. A. Temperature dependence of the optical absorption spectra of InP/ZnS quantum dots. Tech. Phys. Lett. 2017, 43, 297–300, doi: 10.1134/S1063785017030221.
Karimullin K. R., Arzhanov A. I., Eremchev I. Y., Kulnitskiy B. A., Surovtsev N. V., Naumov A. V. Combined photon-echo, luminescence and Raman spectroscopies of layered ensembles of colloidal quantum dots. Laser Phys. 2019, 29, 124009, doi: 10.1088/1555-6611/ab4bdb.
Podshivaylov E. A., Kniazeva M. A., Gorshelev A. A., Eremchev I. Y., Naumov A. V., Frantsuzov P. A. Contribution of electron-phonon coupling to the luminescence spectra of single colloidal quantum dots. J. Chem. Phys. 2019, 151, 174710, doi: 10.1063/1.5124913.
Albers A. E., Chan E. M., McBride P. M., Ajo-Franklin C. M., Cohen B. E., Helms B. A. Dual-Emitting Quantum Dot/Quantum Rod-Based Nanothermometers with Enhanced Response and Sensitivity in Live Cells. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 9565–9568, doi: 10.1021/ja302290e.
Rempel A. A., Kuznetsova Y. V., Dorosheva I. B., Valeeva A. A., Weinstein I. A., Kozlova E. A., Saraev A. A., Selishchev D. S. High Photocatalytic Activity Under Visible Light of Sandwich Structures Based on Anodic TiO2/CdS Nanoparticles/Sol–Gel TiO2. Top. Catal. 2020, 63, 130–138, doi: 10.1007/s11244-020-01226‑x.
Paek K., Yang H., Lee J., Park J., Kim B. J. Efficient Colorimetric pH Sensor Based on Responsive Polymer-Quantum Dot Integrated Graphene Oxide. ACS Nano 2014, 8, 2848–2856, doi: 10.1021/nn406657b.
Gladush M. G., Anikushina T. A., Gorshelev A. A., Plakhotnik T. V., Naumov A. V. Dispersion of Lifetimes of Excited States of Single Molecules in Organic Matrices at Ultralow Temperatures. J. Exp. Theor. Phys. 2019, 128, 655–663, doi: 10.1134/s1063776119030038.
Anikushina T. A., Gladush M. G., Gorshelev A. A., Naumov A. V. Single-molecule spectromicroscopy: a route towards sub-wavelength refractometry. Faraday Discuss. 2015, 184, 263–274, doi: 10.1039/c5fd00086f.
Naumov A. V., Gorshelev A. A., Gladush M. G., Anikushina T. A., Golovanova A. V., Koehler J., Kador L. Micro-Refractometry and Local-Field Mapping with Single Molecules. Nano Lett. 2018, 18, 6129–6134, doi: 10.1021/acs.nanolett.8b01753.
Pillonnet A., Fleury P., Chizhik A. I., Chizhik A. M., Amans D., Ledoux G., Kulzer F., Meixner A. J., Dujardin C. Local refractive index probed via the fluorescence decay of semiconductor quantum dots. Opt. Express 2012, 20, 3200–3208, doi: 10.1364/oe.20.003200.
Kwark Y., Sinton R., Gan J., Swanson R. M. IVB‑6 a 27‑percent efficient silicon solar cell. IEEE Trans. Electron Devices 1986, 33, 1855–1855, doi: 10.1109/T-ED.1986.22802.
Hao M., Bai Y., Zeiske S., Ren L., Liu J., Yuan Y., Zarrabi N., Cheng N., Ghasemi M., Chen P. et al. Ligand-assisted cation-exchange engineering for high-efficiency colloidal Cs1‑xFAxPbI3 quantum dot solar cells with reduced phase segregation. Nature Energy 2020, 5, 79–88, doi: 10.1038/s41560-019-0535-7.
Hu L., Zhao Q., Huang S., Zheng J., Guan X., Patterson R., Kim J., Shi L., Lin C. -H., Lei Q. et al. Flexible and efficient perovskite quantum dot solar cells via hybrid interfacial architecture. Nat Commun 2021, 12, 466, doi: 10.1038/s41467-020-20749-1.
Kurley J. M., Pan J. -A., Wang Y., Zhang H., Russell J. C., Pach G. F., To B., Luther J. M., Talapin D. V. Roll-To-Roll Friendly Solution-Processing of Ultrathin, Sintered CdTe Nanocrystal Photovoltaics. Acs Appl Mater Inter 2021, 13, 44165–44173, doi: 10.1021/acsami.1c08325.
Huffaker D. L., Park G., Zou Z., Shchekin O. B., Deppe D. G. 1.3 mu m room-temperature GaAs-based quantum-dot laser. Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 2564–2566, doi: 10.1063/1.122534.
Kirstaedter N., Ledentsov N. N., Grundmann M., Bimberg D., Ustinov V. M., Ruvimov S. S., Maximov M. V., Kopev P. S., Alferov Z. I., Richter U. et al. LOW-THRESHOLD, LARGE T-O INJECTION-LASER EMISSION FROM (INGA)AS QUANTUM DOTS. Electronics Letters 1994, 30, 1416–1417, doi: 10.1049/el:19940939.
Klimov V. I., Mikhailovsky A. A., Xu S., Malko A., Hollingsworth J. A., Leatherdale C. A., Eisler H. J., Bawendi M. G. Optical gain and stimulated emission in nanocrystal quantum dots. Science 2000, 290, 314–317.
Roh J., Park Y. -S., Lim J., Klimov V. I. Optically pumped colloidal-quantum-dot lasing in LED-like devices with an integrated optical cavity. Nat Commun 2020, 11, 1–10.
le Feber B., Prins F., De Leo E., Rabouw F. T., Norris D. J. Colloidal-Quantum-Dot Ring Lasers with Active Color Control. Nano Lett. 2018, 18, 1028–1034, doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04495.
Xie W., Stöferle T., Raino G., Aubert T., Bisschop S., Zhu Y., Mahrt R. F., Geiregat P., Brainis E., Hens Z. On-Chip Integrated Quantum-Dot-Silicon-Nitride Microdisk Lasers. Adv. Mater. 2017, 29, 1604866.
Коэф Й., Фишер М., Легге М., Сейферт Й., Вернер Р., ЛАЗЕРЫ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ БРЭГГОВСКИМИ РЕШЕТКАМИ НА КВАНТОВЫХ ЯМАХ, ТОЧКАХ И С КВАНТОВЫМИ КАСКАДАМИ. Фотоника 2008, 4, 12–17.
Maksimov A. A., Filatov E. V., Tartakovskii I. I. A Semiconductor Injection Laser with Circularly Polarized Radiation. Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2021, 85, 176–179, doi: 10.3103/S1062873821020192.
Sasikala V., Chitra K. All optical switching and associated technologies: a review. J Optics-Uk 2018, 47, 307–317, doi: 10.1007/s12596-018-0452-3.
Blatt R., Wineland D. Entangled states of trapped atomic ions. Nature 2008, 453, 1008–1015, doi: 10.1038/nature07125.
Shomroni I., Rosenblum S., Lovsky Y., Bechler O., Guendelman G., Dayan B. All-optical routing of single photons by a one-atom switch controlled by a single photon. Science 2014, 345, 903–906, doi: doi: 10.1126/science.1254699.
Firstenberg O., Peyronel T., Liang Q. -Y., Gorshkov A. V., Lukin M. D., Vuletić V. Attractive photons in a quantum nonlinear medium. Nature 2013, 502, 71–75, doi: 10.1038/nature12512.
Hwang J., Pototschnig M., Lettow R., Zumofen G., Renn A., Götzinger S., Sandoghdar V. A single-molecule optical transistor. Nature 2009, 460, 76–80, doi: 10.1038/nature08134.
Krivenkov V., Samokhvalov P., Nabiev I., Rakovich Y. Quantum dot-based plasmon-exciton emitters with improved one- and two-photon emission properties; SPIE: 2021; Vol. 11694.
Dutt M. V. G., Childress L., Jiang L., Togan E., Maze J., Jelezko F., Zibrov A. S., Hemmer P. R., Lukin M. D. Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in Diamond. Science 2007, 316, 1312–1316, doi: doi: 10.1126/science.1139831.
Kim H., Bose R., Shen T. C., Solomon G. S., Waks E. A quantum logic gate between a solid-state quantum bit and a photon. Nat. Photonics 2013, 7, 373–377, doi: 10.1038/nphoton.2013.48.
Wells L. M., Kalliakos S., Villa B., Ellis D. J. P., Stevenson R. M., Bennett A. J., Farrer I., Ritchie D. A., Shields A. J. Photon Phase Shift at the Few-Photon Level and Optical Switching by a Quantum Dot in a Microcavity. Phys. Rev. Appl. 2019, 11, 061001, doi: 10.1103/PhysRevApplied.11.061001.
Buterakos D., Barnes E., Economou S. E. Deterministic generation of all-photonic quantum repeaters from solid-state emitters. Phys Rev X 2017, 7, 041023.
Chen A. A., Derfus A. M., Khetani S. R., Bhatia S. N. Quantum dots to monitor RNAi delivery and improve gene silencing. Nucleic Acids Res. 2005, 33, e190‑e190, doi: 10.1093/nar/gni188.
Gongalsky M. B., Osminkina L. A., Pereira A., Manankov A. A., Fedorenko A. A., Vasiliev A. N., Solovyev V. V., Kudryavtsev A. A., Sentis M., Kabashin A. V. et al. Laser-synthesized oxide-passivated bright Si quantum dots for bioimaging. Sci Rep 2016, 6, doi: 10.1038/srep24732.
Zdobnova T. A., Dorofeev S. G., Tananaev P. N., Vasiliev R. B., Balandin T. G., Edelweiss E. F., Stremovskiy O. A., Balalaeva I. V., Turchin I. V., Lebedenko E. N. et al. Fluorescent immunolabeling of cancer cells by quantum dots and antibody scFv fragment. J. Biomed. Opt. 2009, 14, doi: 10.1117/1.3122775.
Eremchev I. Y., Eremchev M. Y., Naumov A. V. Multifunctional far-field luminescence nanoscope for studying single molecules and quantum dots (50th anniversary of the Institute of Spectroscopy, Russian Academy of Sciences). Phys. Usp. 2019, 62, 294–303, doi: 10.3367/UFNr.2018.06.038461.
Naumov A. V. Low temperature spectroscopy of organic molecules in solid matrices: from the Shpolsky effect to the laser luminescent spectromicroscopy for all effectively emitting single molecules. Phys. Usp. 2013, 56, 605–622, doi: 10.3367/UFNe.0183.201306f.0633.
Eremchev I. Yu., Prokopova D. V., Losevskii N. N., Mynzhasarov I. T., Kotova S. P., Naumov A. V. Three-dimensional fluorescence nanoscopy of single quantum emitters with highly efficient spatial phase modification of the point spread function based on spiral light beams. Phys. Usp. 2022, 10.3367/UFNe.2021.05.038982, doi: 10.3367/UFNe.2021.05.038982.
Stryer L. Fluorescence Energy Transfer as a Spectroscopic Ruler. Annu. Rev. Biochem. 1978, 47, 819–846, doi: 10.1146/annurev.bi.47.070178.004131.
Ovchinnikov O. V., Grevtseva I. G., Smirnov M. S., Kondratenko T. S., Perepelitsa A. S., Aslanov S. V., Khokhlov V. U., Tatyanina E. P., Matsukovich A. S. Effect of thioglycolic acid molecules on luminescence properties of Ag2S quantum dots. Opt. Quantum Electron. 2020, 52, doi: 10.1007/s11082-020-02314-8.
Pan D., Zhang J., Li Z., Wu M. Hydrothermal route for cutting graphene sheets into blue-luminescent graphene quantum dots. Adv Mater 2010, 22, 734–738, doi: 10.1002/adma.200902825.
Kvashnin A. G., Kvashnina O. P., Kvashnin D. G. Hydrogen adsorption study. Formation of quantum dots on graphene nanoribbons within tight-binding approach. Nanotechnology 2015, 26, 175704, doi: 10.1088/0957–4484/26/17/175704.
Chen W. -C., Fang Y. -H., Chen L. -G., Liang F. -C., Yan Z. -L., Ebe H., Takahashi Y., Chiba T., Kido J., Kuo C. -C. High luminescence and external quantum efficiency in perovskite quantum-dots light-emitting diodes featuring bilateral affinity to silver and short alkyl ligands. Chem. Eng. J. 2021, 414, 128866, doi: 10.1016/j.cej.2021.128866.
Chang Y. -H., Ku C. -W., Zhang Y. -H., Wang H. -C., Chen J. -Y. Ultrafast Responsive Non-Volatile Flash Photomemory via Spatially Addressable Perovskite/Block Copolymer Composite Film. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2000764, doi: 10.1002/adfm.202000764.
Yang Y., Wei L., Pei J. Application of meta-analysis technique to assess effectiveness of HACCP-based FSM systems in Chinese SLDBs. Food Control 2019, 96, 291–298, doi: 10.1016/j.foodcont.2018.09.013.
Chen L. -C., Lee K. -L., Huang C. -Y., Lin J. -C., Tseng Z. -L. Preparation and Characteristics of MAPbBr3 Perovskite Quantum Dots on NiOx Film and Application for High Transparent Solar Cells. Micromachines 2018, 9, 205, doi: 10.3390/mi9050205.
Sutherland B. R., Sargent E. H. Perovskite photonic sources. Nat. Photonics 2016, 10, 295–302, doi: 10.1038/nphoton.2016.62.
Wang H. -C., Bao Z., Tsai H. -Y., Tang A. -C., Liu R. -S. Perovskite Quantum Dots and Their Application in Light-Emitting Diodes. Small 2018, 14, 1702433, doi: 10.1002/smll.201702433.
Wootters W. K., Zurek W. H. A Single Quantum Cannot be Cloned. Nature. 1982;299(5886):802–3.
Klimov V. V. Control of the emission of elementary quantum systems using metamaterials and nanometaparticles. Phys-Usp+. 2021;64(10):990–1020.
Arakawa Y., Holmes M. J. Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview. Applied Physics Reviews. 2020;7(2).
Somaschi N., Giesz V., De Santis L., Loredo J. C., Almeida M. P., Hornecker G. et al. Near-optimal single-photon sources in the solid state. Nature Photonics. 2016;10(5):340–745. DOI: 10.1038/nphoton.2016.23.
Wang H., He Y. M., Chung T. H., Hu H., Yu Y., Chen S. et al. Towards optimal single-photon sources from polarized microcavities. Nature Photonics. 2019;13(11):770–775. DOI: 10.1038/s41566-019-0494-3.
Vitukhnovsky A. G., Zvagelsky R. D., Kolymagin D. A., Pisarenko A. V., Chubich D. A. Three-Dimensional Optical Lithography and Nanoscale Optical Connectors. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2020;84(7):760–765. DOI: 10.3103/S1062873820070321.
Kako S., Holmes M., Sergent S., Burger M., As D. J., Arakawa Y. Single-photon emission from cubic GaN quantum dots. Applied Physics Letters. 2014;104(1). DOI: 10.1063/1.4858966.
Arita M., Le Roux F., Holmes M. J., Kako S., Arakawa Y. Ultraclean Single Photon Emission from a GaN Quantum Dot. Nano Letters. 2017;17(5):2902–7. DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00109.
Tribu A., Sallen G., Aichele T., Andre R., Poizat J. P., Bougerol C. et al. A High-Temperature Single-Photon Source from Nanowire Quantum Dots. Nano Letters. 2008;8(12):4326-9. DOI: 10.1021/nl802160z.
Quitsch W., Kummell T., Gust A., Kruse C., Hommel D., Bacher G. Electrically driven single photon emission from a CdSe / ZnSSe single quantum dot at 200 K. Applied Physics Letters. 2014;105(9). DOI: 10.1063/1.4894729.
Dusanowski L., Holewa P., Marynski A., Musial A., Heuser T., Srocka N. et al. Triggered high-purity telecom-wavelength single-photon generation from p-shell-driven InGaAs / GaAs quantum dot. Optics Express. 2017;25(25):31122-9. DOI: 10.1364 / OE.25.031122.
Miyazawa T., Takemoto K., Nambu Y., Miki S., Yamashita T., Terai H. et al. Single-photon emission at 1.5 mu m from an InAs / InP quantum dot with highly suppressed multi-photon emission probabilities. Applied Physics Letters. 2016;109(13). DOI: 10.1063 / 1.4961888.
Kukushkin V. I., Mukhametzhanov I. M., Kukushkin I. V., Kulakovskii V. D., Sedova I. V., Sorokin S. V. et al. Control of semiconductor quantum dot emission intensity and polarization by metal nanoantennas. Physical Review B. 2014;90(23). DOI: 10.1103/PhysRevB.90.235313.
Zwiller V., Aichele T., Seifert W., Persson J., Benson O. Generating visible single photons on demand with single InP quantum dots. Applied Physics Letters. 2003;82(10):1509–1511. DOI: 10.1063/1.1558952.
Fedorych O., Kruse C., Ruban A., Hommel D., Bacher G., Kummell T. Room temperature single photon emission from an epitaxially grown quantum dot. Applied Physics Letters. 2012;100(6). DOI: 10.1063/1.3683498.
Torchynska T. V. Emission of double core infrared (CdSeTe) / ZnS quantum dots conjugated to antibodies. Journal of Luminescence. 2013;137:157–161. DOI: 10.1016/j.jlumin.2012.12.048.
Eremchev I. Y., Lozing N. A., Baev A. A., Tarasevich A. O., Gladush M. G., Rozhentsov A. A. et al. Luminescence Microscopy of Single Quantum Dot Pairs with Nanometer Spatial Resolution. Jetp Letters. 2018;108(1):30–37. DOI: 10.1134/S0021364018130076.
Heshami K., England D. G., Humphreys P. C., Bustard P. J., Acosta V. M., Nunn J. et al. Quantum memories: emerging applications and recent advances. J. Mod Optic. 2016;63(20):2005–2028. DOI: 10.1080/09500340.2016.1148212.
Simon C., Afzelius M., Appel J., de la Giroday A. B., Dewhurst S. J., Gisin N. et al. Quantum memories. European Physical Journal D. 2010;58(1):1–22. DOI: 10.1140/epjd/e2010-00103‑y.
Perminov N. S., Petrovnin K. V., Tarankova D. Y., Moiseev S. A. Optimization of Photon Molecules for Quantum Memory. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019;83(12):1459–1461. DOI: 10.3103/S1062873819120207.
Young R. J., Dewhurst S. J., Stevenson R. M., Atkinson P., Bennett A. J., Ward M. B. et al. Single electron-spin memory with a semiconductor quantum dot. New Journal of Physics. 2007;9. DOI: 10.1088/1367-2630/9/10/365.
Chekhovich E. A., Glazov M. M., Krysa A. B., Hopkinson M., Senellart P., Lemaitre A. et al. Element-sensitive measurement of the hole-nuclear spin interaction in quantum dots. Nat Phys. 2013;9(2):74–78. DOI: 10.1038/nphys2514.
Kerski J., Lochner P., Ludwig A., Wieck A. D., Kurzmann A., Lorke A. et al. Quantum Sensor for Nanoscale Defect Characterization. Physical Review Applied. 2021;15(2):13. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.024029.
Tsukanov A. V., Chekmachev V. G. Electric-field sensor based on a double quantum dot in a microcavity. Semiconductors. 2017;51(9):1200–1207. DOI: 10.1134/S1063782617090214.
Generalova A. N., Oleinikov V. A., Sukhanova A., Artemyev M. V., Zubov V. P., Nabiev I. Quantum dot-containing polymer particles with thermosensitive fluorescence. Biosensors & Bioelectronics. 2013;39(1):187–193. DOI: 10.1117/12.931427.
АВТОРЫ
А. И. Аржанов, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия.
ORCID: 0000-0001-9305-067X
А. О. Савостьянов, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия.
ORCID: 0000-0001-8815-8440
К. А. Магарян, Московский педагогический государственный университет, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0003-4754-4657
К. Р. Каримуллин, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия.
ORCID: 0000-0001-6799-2479
А. В. Наумов, Московский педагогический государственный университет, Москва; Институт спектроскопии РАН, Троицк, Москва; Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Троицкое обособленное подразделение, Москва, Троицк, Россия. www.single-molecule.ru.
ORCID: 0000-0001-7938-9802
Отзывы читателей
