Низьковимірні системи

Що таке низьковимірні системи?
3D 2D 1D 0D

Якщо в одному або в декількох напрямках лінійні розміри системи
є співрозмірні або менші за характерну довжину, що визначає той
чи інший ефект – маємо справу з системою пониженої вимірності
Електрон – це нульвимірний об’єкт?
Definitely – NO! Радіус електрона 4.5·10-17 м
Що ж тоді є низьковимірні системи?

класичні розмірні ефекти квантоворозмірні ефекти
l ~ 1-100 nm le ~ 101 - 103 nm λB ~ 10-100 nm

Квантовна точка, що має форму піраміди вирощена методом МПЕ (МВЕ)

Створення наночасток (квантових точок) стандартним методом МПЕ
Загальний вигляд установки МПЕ (Інститут Вейцмана, Ізраїль)

Створення наночасток (квантових точок) за допомогою мікроорганізмів
Культура мікроорганизмів Rhodococcus, що належать до актиноміцетів – бактерій, які беруть участь в процесах розкладення органічних речовин рослинного походження
Мікроорганизми Rhodococcus після витримки в 10-3 М водного розчину HAuCl4 . Зміна кольору пов'язана з виникненням наночастинок золота діаметром ~ 5-15 нм. Ці кокки діють як хімічний відновлювач, що перетворюють іони золота в наночастинки

ТЕМ клітин Rhodococcus sp.
з наночастинками золота

Квантові точки. Застосування в фізиці, хімії, біології та медицині
n1 , n2 , n3 = 1, 2, 3, …

Застосування квантових точок в біології
Порівняння розмірів: «а» - 2 нм наночастинка золота, що вкрита
моношаром 11-меркаптоундеканової кислоти; «б» - молекула
α-хімотрипсина; «в» - подвійна спиіраль ДНК.

Області застосування взаємодії біомолекул з наночастинками: пригнічення
взаємодії білок-білок, регулювання транскрипції через зв’язування ДНК,
доставка ДНК, siРНК та білка до клітини, датчики та діагностика

Квантові точки в онкології
Плазмонна фототермальна терапія онкозахворювань

Плазмонна фототермальна терапія раку
(Plasmon Photothermal Therapy of Tumor - PPTT)
Ідея
Наночастинки поглинають світло у
мілліони разів сильніше ніж молеку-
ли органічних барвників. Майже вся
енергія світла перетворюється в тепло.
Наночастинки, що попали в пухлину
опромінюються світлом інфрачерво-
ного діапазону. При цьому таке опро-
мінення повинно попадати у біологіч-
не вікно прозорості та відповідати ре-
зонансному поглинанню світла нано-
частинкою.
Під дією опромінення наночастинки
нагріваються. Коли температура онко-
тканини перевіщить 450 C, онкокліти-
ни руйнуються

Біолюмінесцентна картина пацюка з пухлиною молочної залози. Пухлина
виглядає як червона пляма перед введенням препарату золотих наночастинок
циліндричної форми (концентрація 1011 шт/мл). Після опромінення тварини
лазером з довжиною хвилі 808 nm та інтенсивністю 1.5 Вт протягом 5 хвилин
пухлина зникає. Праворуч показано відсутність флуоресцентного сигналу
через 1 день після PPTT
пухлина
перед PPTT
після PPTT

Гетерогенний каталіз
Реакція гетерогенного каталізу на наночастинці золота за якої
сілан (SiH4) у воді перетворюється на сіланол (SiH3OH)

Нанотехнології в Україні.
Датчик органічних молекул на основі поверхневого
плазмон-поляритонного резонансу

Поверхневий плазмон-поляритон

Часто виникає потреба визначення невеликих концентрацій
органічних речовин у розчинах, наприклад провести аналіз крові.
У лікарнях звертаються до послуг біохімічних лабораторій.
розчин біо-матеріалу
DREAM-ка: якби на поверхню попадали тільки потрібні молекули
Підкладинка вздовж поверхні якої розповсюджується плазмон-поляритон
шар
молекул-рецепторів

CH3-CH2-CH2-….-CH2-CH2-HS
X - додекантіол
Y- тіобарбітурова кислота
Z – барбітурова кислота+тіобарбітурова кислота

Сенсограма взаємодії веронала (1мкг/мл) та барбіту-рової кислоти (1мкг/мл) з органічною матрицею.

Перелік рекомендованої літератури
Основна:
1. V.Mitin, V.Kochelap, M.Strasio, "Quantum Heterostructures/ Microelectronics
and Optoelectronics", Univ.Press., Cambridge, 1998
2. J.Davies, "The Physics of Low-Dimensional Semiconductors. An Introduction",
Univ.Press., Cambridge, 1998
3. О.В.Третяк, В.З.Лозовський, Основи фізики напівпровідників. Том 2. /ВПЦ
" Київський університет ", 2009. ( розділ 16)
4. . О.В.Третяк, В.З.Лозовський, Фізика низьковимірних систем/ ВПЦ
" Київський університет ", 2013
Додаткова:
1. O.Keller, Physics of local field // Phys. Rep.-1996.- v. 268, N2/3.
2. Girard C., Joachim C., Gauthier S. The physics of the near-field.//
Rep.Prog.Phys.- 2000.-Vol.63.- P.893-938.

Фізика низьковимірних систем
І. Класичні ефекти в низьковимірних системах
1. Електропровідність тонких плівок 2. Оптика наносистем
3. Фізика ближнього поля
ІІ. Ефекти в системах з просторовим квантуванням
1. Квантові ями, квантові точки, квантові голки
2. Поперечний та повздовжний транспорт в квантових ямах
3. Надгратки
4. Квантовий транспорт
5. Квантовий ефект Холла
6. “Екзотичні” системи – фулерени, графени, вуглецеві трубки
ІІІ. Системи зниженої розмірності (поверхневі ефекти)
1. Поверхневі плазмон-поляритони
2. Поверхневий плазмон-поляритонний резонанс