Крошечные кластеры полупроводниковых материалов могут стать основой ультрамалых электронных и оптических схем будущего. Такие кластеры, разработанные учеными из фирмы Bell Laboratories (Марри-Хилл, шт. Нью-Джерси), имеют ширину от 100 до 10000 атомных слоев. Эти размеры превосходят размеры большинства молекул, но гораздо меьше размеров самых маленьких электронных приборов, имеющих порядок нескольких миллиардов атомных слоев.

Впервые удалось вырастить устойчивые кластеры. К потенциальным областям их применения относятся нелинейная оптика, средства связи и вычислительная техника. В этих областях, быть может, удастся использовать уникальные электронные и оптические свойства кластеров, меняющиеся с изменением размеров кластеров, так что ученые смогут выращивать кластеры с заданным набором характеристик.

Микроскопическая структура кластеров представляет собой регулярную кристаллическую решетку, построеную из атомов. Макроскопически кластеры выглядят как порошкообразное вещество, электонные, оптические и химические свойства которого изменяются в соответствии с размером кластера. Данное изменение свойств обусловлено тем, что ширина запрещенной зоны у меньшего по величине кластера больше, чем у большего или чем у того же полупроводникового материала в монокристаллической форме.

Ширина запрещенной зоны у большого полупроводникового монокристалла соответствует минимальной энергии, необходимой для перехода электрона в зону проводимости, где он может свободно взаимодействовать и перемещаться через кристалл. В маленьком кластере ширина запрещенной зоны больше в связи с эффектом ограниченного объема.

К возможным применениям кластеров относятся не только ультракрошечные схемы. Оптические свойства кластеров, например, могут быть использованы в фотонных переключателях. Сами кластеры могут помочь в синтезе микроструктурированных материалов и выращивании тонких пленок при низких температурах. Кроме того, их большая удельная поверхность и высокая однородность, быть может, позволят найти им применения в поверхностной химии и хроматографии.

Хотя кластеры изучались уже в течение ряда лет, только теперь ученым удалось получить их в устойчивой форме. Проблема заключалась в их тенденции рекомбинировать с соседними кластерами и образовывать сплошное твердое тело, в результате чего пропадали их свойства, связанные с мелкодисперсным состоянием. В фирме Bell Laboratories ученые разрешили эту проблему, выращивая каждый кластер в крошечной капельке воды толщиной всего лишь около 2 нм, после чего каждый кластер связывался с органическими молекулами. Такая методика позволяет создать защитную оболочку, препятствующую соединению кластера с его соседями.