Нобелевская по химии. Кто и как в СССР открыл квантовые точки

В этому году Нобелевский комитет решил присудить премию по химии за работы в области нанотехнологий. Одиннадцать миллионов крон разделят трое ученых из США, открывшие квантовые точки и разработавшие методы их стабилизации и производства, — Алексей Екимов, Луис Брюс и Мунги Бавенди. Эти исследования проложили дорогу к созданию светодиодных устройств широкого применения. Об истории и практическом значении квантовых точек РИА Новости рассказал директор Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Сергей Иванов. Беседовала Татьяна Пичугина.

— Алексей Иванович Екимов окончил Ленинградский университет, он был учеником Евгения Федоровича Гросса, основателя экситонной физики, экспериментально доказавшего, что в полупроводнике существуют экситоны — возбужденные частицы. Гросс пригласил его к себе в лабораторию в Физтех (Ленинградский физико-технический институт имени Иоффе. — Прим. ред.), где они занимались спиновыми явлениями. Вместе с Гроссом его удостоили Государственной премии СССР. Можно смело утверждать, что оптическая школа, к которой принадлежит Екимов, — это физтеховская школа Гросса.

В конце 1970-х А. И. Екимов ушел в Государственный оптический институт имени Вавилова, где занимался синтезом оптических фильтров, способных в зависимости от условий отжига менять цвет. Это кварцевое стекло с легирующими примесями. Если они собираются в кластеры, то меняется и цвет. Тогда и возникла идея, что оптические свойства определяются размерами нанокластеров, которые состоят из полупроводниковых соединений, например хлорида меди, селенида кадмия, сульфида кадмия. В чистом виде эти материалы излучают и поглощают свет в видимой области — желтый, зеленый и так далее. А если излучающий объект настолько мал, что проявляются квантовые эффекты — это несколько десятков нанометров, десять-пятнадцать атомов, то такие кристаллики, образующиеся в стекле, кардинально меняли оптические свойства — цвет, спектр поглощения стекол.

Об этом в 1981-м Алексей Екимов в соавторстве с коллегой по ГОИ Алексеем Онущенко опубликовал статью в «Письмах в ЖЭТФ» («Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников». — Прим. ред.). А через год совместно с Александром Эфросом, физтеховским теоретиком, Екимов издал еще одну работу, где теоретически объяснялись оптические свойства полупроводниковых квантовых точек в стекле. До конца 1990-х он продолжал исследования уже в ФТИ имени Иоффе, затем уехал за рубеж и оказался в США — в частной компании, занимавшейся наноструктурными объектами.

Квантовые точки

Примерно в те же годы Луис Брюс (тогда работавший в американской Bell Laboratories. — Прим. ред.) обнаружил, что и в жидкости — при определенных условиях нагрева, концентрации, легирующих примесей — могут образовываться нанообъекты с квантовыми свойствами. Так были открыты коллоидные квантовые точки. Спустя примерно десять лет Мунги Бавенди (уроженец Франции, в то время — сотрудник Массачусетского технологического университете США, бывший коллега Брюса по Bell Laboratories. — Прим. ред.) разработал промышленную химическую технологию коллоидных квантовых точек.

— Их открыли в стекле, где они возникают спонтанно, потому что энергетически при высоких температурах примесям (кадмию, селену, сере) выгоднее образовывать нанокластеры, чем оставаться в свободно распределенном состоянии.

С такими объектами в стекле сложно работать — например, подвести к ним электрический ток. А синтез коллоидных квантовых точек в жидкости позволил применить их в медицине. Они маленькие, состоят из атомов VI группы и легко соединяются с органическими лекарственными радикалами. Эти шарики служат носителями в том числе химических терапевтических препаратов — молекул для доставки по крови в любую точку организма. Важно сделать так, чтобы они собрались в нужном месте. Для этого их легируют магнитными примесями, например марганцем. Получается полупроводниковый шарик, обвешанный лекарственными препаратами, внутри которого сидит частичка марганца. Тогда, используя магнит, можно собирать частицы в больном органе или опухоли. Там происходит их активация, препараты отделяются и взаимодействуют с человеческой тканью.

Квантовые точки подсвечивают (красным) молекулы мРНК в цитоплазме раковой клетки линии HELA

Если же квантовые точки из коллоидного раствора размазать по поверхности и подсвечивать их светодиодами, возникают различные излучения в оптическом диапазоне. Это дает цветное телевидение — такие дисплеи уже продаются.

Третий способ получения квантовых точек — в полупроводниковой технологии. В процессе роста многослойных гетероструктур можно выращивать очень напряженные тонкие монослои. Например, в арсениде галлия — слой арсенида индия. За счет огромных напряжений, накопившихся в тонком слое, он разрывается, образуются кластеры арсенида индия. Если при напылении его зарастить арсенидом галлия, то образуются кластеры арсенида индия в матрице арсенида галлия. Это происходит тоже спонтанно, но при определенных условиях (температуре, скорости осаждения). Квантовые точки, искусственно сформированные внутри полупроводниковой гетероструктуры, активно излучают свет при подведении электрического тока. Такие полупроводниковые лазеры с квантовыми точками из мышьяка впервые в мире синтезировали в нашем институте в 1994-м. В 1999-м мы разработали технологию для квантовых точек из селенида кадмия, вырастили их внутри полупроводниковой гетероструктуры с селенидом цинка. Эти исследования привели к созданию первых в мире лазерных диодов зеленого света. Мы работали тогда вместе с немецкими учеными, но идея и технология созданы в Физтехе.

— Думаю, что за одно и то же два раза не присуждают. Но приятно, что начало таким оптическим исследованиям и объяснение этого эффекта, развитие открытия происходило в рамках лаборатории Гросса, затем в лаборатории Алферова, потом его ученика Петра Сергеевича Копьева. Я сменил его в 2014-м.

Мы с Алексеем Ивановичем Екимовым поддерживали до недавнего времени контакты, встречались на научных конференциях.

— Надо сказать, что полупроводниковые квантовые точки с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии впервые продемонстрировали в Америке в лаборатории Петроффа (P. M. Petroff. — Прим. ред.). А синтезировать их и вставить в лазерный диод, тем самым найдя им практическое применение, удалось в Физтехе в 1993-1994 годах.

Важно, что Алексей Екимов получил Нобелевскую премию за исследования, связанные с ФТИ, хотя в тот момент он и работал в ГОИ. Но оптика, спектроскопия, теория созданы у нас.