СПОСОБ КОНТРОЛИРУЕМОГО РОСТА КВАНТОВЫХ ТОЧЕК ИЗ КОЛЛОИДНОГО ЗОЛОТА
METHOD FOR CONTROLLED GROWTH OF QUANTUM DOTS FROM COLLOIDAL GOLD

Предлагаемый способ роста квантовых точек (КТ) из коллоидного золота относится к области прецизионной наноэлектроники и может быть применен в наномедицине. Коллоидное золото успешно применяется при терапии ревматоидного артрита. Имплантация золотых наночастиц в сустав бедра приводит к эффекту обезболивания. Комбинация микроволнового облучения с использованием наночастиц коллоидного золота разрушает волокна и бляшки, которые ассоциируют с болезнью Альцгеймера. Наночастицы коллоидного золота используются как носители лекарственных препаратов, а также при диагностике и терапии онкологических заболеваний. При этом оптический отклик (поверхностно усиленная рамановская спектроскопия) оказывается в 200 раз более ярким, чем для полупроводниковых КТ.
Известен способ роста КТ, аналог, который включает в себя одну или более обеспечивающих подложек, образование дефекта на подложке, осаждение слоя на подложке и формирование квантовых точек вдоль дефекта (источник информации патент US 8076217 B2 от 13 декабря 2011, «Контролируемый рост квантовых точек», изобретатель Ezekiel Kruglick). Также известен второй аналог: «Способ синтеза полупроводниковых квантовых точек (патент №2381304), авторы: Новичков Роман Владимирович (RU), Вакштейн Максим Сергеевич (RU), Нодова Екатерина Леонидовна (RU), Маняшин Алексей Олегович (RU), Тараскина Ирина Ивановна (RU). Подача заявки 21.08.2008. Начало действия патента 21.08.2008. Публикация патента 10.02.2010 патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт прикладной акустики" (RU).
Недостатками известных способов-аналогов является то, что
1) способы не обеспечивают выращивания КТ заданного размера;
2) не позволяют выращивать металлические КТ, использование которых важно как для целей создания устройств прецизионной наноэлектроники с управляемыми характеристиками, так и для целей наномедицины.
2
2
2
2
4
2
2
5
4
2
5
4
Из известных способов наиболее близким по технической сущности, прототипом, является способ выращивания КТ из коллоидного золота [9]. В экспериментальной работе [9] изготавливались тонкие пленки SiO/TiO, содержащие комплекс ионов Au(III) (сокращенно - Au(III) - SiO/TiO), которые приготовляются с помощью золь-гелевого процесса в этаноловом растворе хлороауриковой кислоты (HAuCl·4HO) и смеси тетраэтилортосиликата (Si(OCH))/тетраэтил ортотитаната (Ti(OCH)) при катализе кислоты. Толщина пленки, измеряемая иглой профилометра (Tencor, Alpha-Step 500), оказывается около 200 нм.
2
2
3
4
Образование частиц золота в пленках Au(III) - SiO/TiO выполняется с использованием атомного силового микроскопа (Seiko SPI-3700) с кантилевером из SiN, покрытым золотом. Субстрат, содержащий пленку оксида индия с оловом, устанавливается в пьезо-сканер, и электрический контакт изготавливается на краю поверхности пленки оксида индия с оловом с помощью пасты серебра. Перед формированием наночастиц золота топографические изображения поверхности пленки записываются без приложенного внешнего напряжения. Затем кантилевер приближается к определенной точке поверхности. Локальное восстановление ионов Au(III) в пленке проводится приложением отрицательного напряжения к субстрату пленки оксида индия с оловом с использованием кантилевера в качестве заземления. Восстановление ионов Au(III) наблюдается по катодным токам в зависимостях ВАХ и зависимостях тока от расстояния между кантилевером и поверхностью пленки. Образование наночастиц золота выполняется также при сканировании кантилевером в определенной области при одновременном прикладывании отрицательного напряжения на субстрат пленки оксида индия с оловом. Скорости сканирования и циклы манипулируются изменением плотности и морфологии генерируемых наночастиц золота.
Для того чтобы подтвердить образование наночастиц золота, получаемых с помощью атомно-силового микроскопа, берутся видимые спектры поглощения от пленок, в которых формируется множество наночастиц с использованием сканирующей процедуры. Передача данных выполняется с помощью оптического микроскопа (Olympus IX-70) с 40-кратными линзами объектива, 100 Вт галогеновой лампой и CCD - мультиканальным спектрометром (Hamamatsu Photonics PMA-11). Прототип не обеспечивает выращивания КТ заданного размера.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что контролируемый рост металлических квантовых точек в системе совмещенного СТМ/АСМ (сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов), основанный на характерных управляемых особенностях вероятности туннелирования в таких системах, при условии, что при некотором значении приложенного внешнего электрического поля потенциал модельной системы может стать симметричным. Предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с прототипом прецизионный контроль размеров КТ и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Способ контролируемого роста квантовых точек (КТ) из коллоидного золота в системе совмещенного АСМ/СТМ (атомно-силовой микроскоп/сканирующий туннельный микроскоп), заключающийся в выращивании КТ при отрицательном приложенном напряжении между иглой кантилевера совмещенного АСМ/СТМ и проводящей подложкой, отличающийся тем, что дополнительно предлагается в процессе роста КТ периодически переключать полярность внешнего напряжения с отрицательной на положительную и фиксировать единичный пик на туннельной ВАХ при определенном значении приложенного напряжения из диапазона значений от 1 до 5 В, и рост КТ завершается, когда единичный пик наблюдается при том же значении приложенного напряжения, что и для контрольной КТ заданного размера.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами.
На фиг.1. Схема экспериментальной установки по выращиванию квантовых точек из коллоидного золота [9] и туннельная ВАХ в системе АСМ/СТМ.
На фиг.2. Зависимость вероятности туннелирования от параметра асимметрии потенциала (пропорционального величине приложенного электрического поля) в пределе «слабой» диссипации.
На фиг.3. Сравнение экспериментальной ВАХ с теоретической (пунктирной) кривой для вероятности туннелирования с учетом взаимодействия с локальной модой среды - термостата.
Квантовое туннелирование оказывается важным при исследовании электронного транспорта через молекулярные нити, структуры с квантовыми точками или ямами, а также в низкотемпературных химических реакциях [1-10]. Многие из отмеченных систем рассматриваются с позиций инстантонного подхода. Вычисление константы туннелирования, основанное на инстантонном приближении, делает все перечисленные явления в некотором смысле «подобными». В химических реакциях константа скорости предполагает экспоненциальную эволюцию для вероятности переноса, тогда как в электронных приборах константа скорости определяет туннельный ток.
Нами в рамках науки о диссипативном туннелировании предлагается способ контролируемого роста металлических квантовых точек во внешнем электрическом поле. В ряде экспериментальных приложений важно учитывать, что кроме изменения асимметрии, связанного с изменением величины внешнего поля, может происходить дополнительное изменение асимметрии за счет изменения геометрических размеров конечного потенциала (например, рост радиуса металлической квантовой точки из коллоидного золота, [9], во внешнем электрическом поле под кантилевером АСМ/СТМ (фиг.1).
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mo>></mo><mo>></mo><mfrac><mrow><msup><mi>e</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>E</mi><mo><</mo><mo><</mo><mfrac><mi>U</mi><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>e</mi><mo>|</mo></mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>q</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
6
Условия применимости рассматриваемой модели обусловлены приближением разреженного газа пар «инстантон - антиинстантон» и обсуждались в [1-5]. В рассматриваемой модели может происходить подавление кулоновских эффектов, если стартовая энергия частицы в КТ существенно превышает энергию кулоновского отталкивания:
. Дополняя это условие ограничением по величине напряженности электрического поля
, можем получить следующее значение напряженности: E<<3·10 В/м (например, для КТ из InSb).
На фиг.2 представлены результаты численного расчета вероятности туннелирования Г=Bexp(-S) в пределе слабой диссипации с учетом предэкспоненциального фактора (8), при этом величина действия определяется выражением (6). Как видно из фиг.2 и проведенного анализа при значении приведенного параметра асимметрии, равного 1 (или соответствующей величине приложенного электрического поля), на кривой вероятности проявляется термоуправляемый пик, величина которого растет с уменьшением температуры. Как отмечалось выше, если в исходном потенциале (без приложенного электрического поля) левая яма оказывается более глубокой (так, в проведенном эксперименте использовалась игла кантилевера с радиусом около 40 нм, а ближайшая к игле квантовая точка имела радиус от 2 до 4 нм), то при некотором значении поля потенциал становится симметричным. При отрицательном приложенном напряжении характер асимметрии потенциала качественно не меняется и соответствующий пик не наблюдается. Для ситуации, когда потенциал системы с выращиваемой точкой из коллоидного золота при некотором значении поля становится симметричным, найденный нами эффект позволит при обнаружении характерного пика на туннельной ВАХ определить размер выращенной металлической квантовой точки. Фиг.3 демонстрирует качественное соответствие одной из экспериментальных ВАХ и зависимостью вероятности туннелирования с учетом взаимодействия с локальной модой среды - термостата.
Как видно из приведенных сравнений, стандартная модель диссипативного туннелирования с учетом влияния на двухъямный осцилляторный потенциал электрического поля дает неплохое качественное соответствие с отдельными экспериментальными ВАХ для металлических квантовых точек в системе с АСМ/СТМ. Хотя на сегодняшний день нам не известны данные экспериментов по термоуправляемости выявленного единичного пика на соответствующей зависимости для вероятности туннелирования, аналогичный рост величины пика с уменьшением температуры наблюдался на термозависимости пиков кондактанса квантовых нитей [10].
Источники информации
1. Krevchik V.D., Ovchinnikov А.А., Semenov М.В. et al. // Phys. Rev. В., 2003, vol.68, P.155426.
2. Krevchik V.D., Semenov M.B., Zhukovsky V.Ch., Yamamoto K. et al. "Transfer processes in low - dimensional systems" (memorial collection of articles, dedicated to prof. A.A. Ovchinnikov and A.I. Larkin's memory), 2005, UT Research Institute Press, Tokyo, Japan, 690 P. (Publication of this book was supported by Nobel prize winner - 2003, prof. A.J. Leggett).
3. Овчинников A.A., Кревчик В.Д., Семенов М.Б и др. Принципы управляемой модуляции низкоразмерных структур (монография, посвященная памяти члена-корреспондента РАН, зав. отделом Объединенного института химической физики РАН А.А. Овчинникова) М., УНЦ ДО; 2003, 510 с.
4. Жуковский В.Ч., Кревчик В.Д, Семенов М.Б. и др. // Вестник МГУ. Сер.3 (Физика. Астрономия). - 2006. вып.3, с.24.
5. Жуковский В.Ч., Кревчик В.Д, Семенов М.Б. и др. // Вестник МГУ. Сер.3 (Физика. Астрономия). - 2007. вып.2, с.10.
6. Овчинников Ю.Н. // ЖЭТФ - 2007. Т.131, №2, С.286.
7. D. Ullien, H. Cohen, D. Porath // Nanotechnology - 2007. V.18, №42. Р.424015.
8. Louis A.A., J.P. Sethna // Phys. Rev. Lett. - 1995. V.74, №8. P.1363.
9. H. Yanagi, T. Ohno // Langmuir - 1999. V.15, №14. P.4773.
10. A.M. Bychkov, T.M. Stace // Nanotechnology - 2007, V.18. P.185403.
11. Кревчик В.Д., Горшков O.H., Семенов М.Б,, Грозная Е.В., Филатов Д.О., Антонов Д.А. // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2007. - №2. С.80-88.