معرفی نقاط کوانتومی،روش های سنتزوکاربردهایش(1)

نقاط کوانتومی (کوانتوم دات ها Quantum dot)،نانوذراتی با خصوصیات نوری منحصر به فرد هستند که توانایی نشر نور با رنگ های مختلف رادارامی باشند و رنگ نور به اندازه کریستال آن ها بستگی دارد.نقاط كوانتومی یا نانوكریستال‌ها در دسته ی نانوذرات نیمه‌ رساناجای می‌گیرند. نیمه‌رساناها اساس صنایع الكترونیك جدید هستند و در ابزارهایی مانند دیودهای نوری و رایانه‌های خانگی به كار گرفته می‌شوند.نقاط کوانتومی همچنین به دلیل اندازه کوچکشان خصوصیات نوری والکتریکی منحصر به فردی دارند که الکترون ها درپیدایش این خصوصیات ،نقشی کلیدی ایفا می کند. این نقاط درکارهای دارویی و بیوتکنولوژی بسیار مورد توجه هستند. دراین قسمت به معرفی،خواص و انواع نقاط کوانتومی می پردازیم،درقسمت بعد روش های سنتزوکاربردهای نقاط کوانتومی را بیان می کنیم .

همان طور که گفتیم نقاط کوانتومی دسته ای از نانوذرات می باشند،یک نانوذره ،ذره ای است که ابعاد آن در حدود می باشد،درواقع با دسته ای از موادبا خواص به طور مشخص متفاوت از حجم شان وخواص  (100nmتا1nm) مولکولی همتای آن ها روبروهستیم.

دو ویژگی مهم نانو ذرات را از دیگرگروه های متمایز جدامی سازد:

افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات که موجب می شود اتم های واقع درسطح اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات برروی خواص آن ها داشته باشد و همچنین تا ثیرات کوانتومی رابه عنوان ویژگی دوم مطرح می شود.

معرفی نقاط کوانتومی

نقطه کوانتومی یک ناحیه از بلورنیمه رسانا است که الکترون ها،حفره ها ویا هردو آن ها را در سه بعد دربرمی گیرد.

هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار داردوویژگی اصلی این نقاط انتشار نور است. ابعاد ،آن قدر کوچک هستندکه خواص ماده باقوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشد و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجیه کند. نقاط كوانتومی، به خاطر كوچك بودنشان، دسته ی صربه‌فردی از نیمه‌رساناها به شمار می‌روند. اهمیت نیمه‌رسانا بودن نقاط کوانتومی در این است كه رسانایی الكتریكی این مواد را می‌توان با محرك‌های خارجی مانند میدان الكتریكی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی كه از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یك كلید عمل كنند. این خاصیت، نیمه‌رساناها را به یكی از اجزای حیاتی انواع مدارهای الكتریكی و ابزارهای نوری تبدیل كرده است. پهنای نقاط کوانتومی، بین 2 تا 10 نانومتر، یعنی معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در این ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای در کاربردهای علمی و فنی به نقاط کوانتومی می‌بخشد.

 کوانتوم دات گالیم آرسنید با465 اتم

مطالعات درمورد ذرات کوانتومی درسال 1970 شروع شدودرسال 1980 این گروه ازنانوذرات نیمه هادی توسط الکسی Ekimov به وسیله ماتریس وتوسط لوئیس E.Brusدرمحلول کلوئیدی ساخته شد وMark Reed  اصطلاح "نقطه کوانتومی "را ابداع کرد. نقاط کوانتومی عملکرد بسیار جالبی دارد،به این صورت که قابلیت جذب هرتعداد الکترون وارده را دارا می باشند.بنابراین باوجود دارابودن یک هسته اتمی خا ص ،براساس الکترون های وارده به آن ها،خواص ورفتارمتفاوتی ازخودبروز می دهند.بعنوان مثال،نقاط کوانتومی درحالت داشتن یک الکترون خصوصیات هیدروژن راداراهستند وبا داشتن 6الکترون منجربه تولید کربن مصنوعی وبا79الکترون منجر به تولید طلای مصنوعی می شوند.ضمنا اتمهای مصنوعی بوجودآمده توسط این سیستم قابلیت پیوند بادیگر اتم ها را دارا هستند که این مسئله منجر به تولید مولکول های مصنوعی ودرنهایت موادمصنوعی خواهد گردید.

بررسی خواص  نقاط کوانتومی

1. درنقاط کوانتومی الکترونها درست مثل وضعیت یک اتم ، موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می کنند ونقاط کوانتومی شباهت زیادی به اتم های واقعی دارند،به همین علت در مکانیک کوانتومی به آن ها لفظ"اتم های مصنوعی"می دهند.

2. نقاط کوانتومی طیف نشری نوری گسسته ای راکه مربوط به ترازهای الکترونی گسسته(مانند اتم های واقعی)می شودرادارا هستند.

3. نقاط کوانتومی نیمه رسانا زمانی که بااتم واقعی مقایسه می شوند،ویژگی مشخصی دارند،تعداد الکترون های آزاد رامی توان به کمک ابزارخارجی تغییرداد.این یک راه آسانتر برای دستیابی به اتم های مصنوعی با3،2،1،یا تعداد بیشتری الکترون می باشد.بنابراین اضافه ویا کم کردن الکترون ها به ذرات کوانتومی طیف وسیعی ازموادمصنوعی رادراختیاربشرقرار خواهد داد.با این وجود نباید فراموش کرد که موادمصنوعی تولیدشده توسط این روش،خصوصیات مواد اصلی رابه تمامی دارا نخواهند بود.به نظر می رسد که سرانجام مواد ساخته شده، درواقع متشکل از نانوربا ت هایی خواهند بود که از لحاظ ظاهری وعملکرد،تحت فرمان انسان قرارخواهند گرفت.

4. یکی از خاصیت های مهم نقاط کوانتومی نیمه رسانا منبع کلومبی می باشد .این بدین معناست که اگر سدهای تونل زنی یک نقطه به اندازه کافی بالا باشد ،به انرژی خارجی برای تزریق یک الکترون اضافه به داخل نقاط کوانتومی نیمه رسانا نیاز است.

5. همه نیمه رسانا شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است درواقع بازة مشخصی از انرژی را دارا می باشد. وقتی یک الکترون انرژی متفاوتی از الکترون دیگر دارد، گفته می‌شود که در یک تراز انرژی متفاوت قرار دارد. خاصیت ذاتی الکترون‌ها باعث می‌شود که بیش از دو الکترون نتوانند در هر تراز انرژی قرار بگیرند. در یک تودة بزرگ از مادة نیمه‌رسانا(حالت bulk )، ترازهای انرژی بسیار نزدیک هم هستند؛ آن‌قدر نزدیک که به صورت یک بازة پیوسته توصیف می ‌شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حدّ صفر است. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای (شکاف ،گپ )وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیردوالکترون ها مجاز به داشتن انرژی در این فاصله نیستند، این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم. الکترون‌هایی که ترازهای پایین گپ را اشغال می‌کنند «الکترون‌های ظرفیت در باند ظرفیت» و الکترون‌های ترازهای بالای گپ «الکترون‌های رسانش در باند رسانش» نامیده می‌شوند.

در مواد نیمه‌رسانا به حالت توده‌ای (حالت bulk )، درصد بسیار کمی از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار می‌گیرند و بیشتر الکترون‌ها در نوار ظرفیت قرار می‌گیرند، به طوری که آنها را تقریباً پر می‌کنند. همین پدیده باعث می‌شود که موادّ نیمه‌رسانا در حالت عادی (غیر برانگیخته) نارسانای جریان الکتریکی باشند. اگر الکترون‌های بیشتری بخواهند در باند رسانش قرار گیرند، باید انرژی کافی برای بالارفتن از گپ انرژی دریافت کنند. تحریک با نور، میدان الکتریکی یا گرما می‌تواند تعدادی از الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش بفرستد. در این حالت، تراز ظرفیتی که خالی می‌شود، «حفره» نام دارد، زیرا در طی این رویداد، یک حفرة موقت در نوار ظرفیت به وجود می‌آید.

تحریکی که باعث جهش الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش و ایجاد حفره می‌شود، باید انرژی‌ای بیش از پهنای گپ داشته باشد. انرژی پهنای گپ در نیمه‌رساناهای توده‌ای، مقدار ثابتی است که تنها به ترکیب آن مواد بستگی دارد. الکترون‌هایی که به نوار رسانش برانگیخته شده‌اند، بعد از مدتی دوباره با از دست دادن انرژیِ ، به نوار ظرفیت برمی‌گردند.و بدین ترتیب، انرژی را به صورت پرتوهای نور مرئی (یا همان فوتون) ساطع می‌کنند. هر چه گاف انرژی بزرگ‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، بیش‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ آبی تمایل می‌یابند. در مقابل، هر چه گاف انرژی کوچک‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، کم‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ قرمز تمایل می‌یابند. از آنجا که گاف  انرژی نیمه‌رسانا کاملاً معین است، نور تنها در طول موج معینی تابش می‌شود.

در نقاط کوانتومی همان طور که در بالا گفتیم، انرژی‌های مجاز پیوسته نیستند و بین هر دو تراز انرژی فاصله می‌افتد. تحت این شرایط، مادة نیمه‌رسانا دیگر خاصیت‌های حالت توده‌ای خود را از دست می‌دهد. این اختلاف تأثیر زیادی روی شرایط جذب یا تابش نور در نیمه‌رسانا دارد.

از آنجا که ترازهای انرژی در نقاط کوانتومی دیگر پیوسته نیستند، کاستن یا افزودن تعدادی اتم به نقطه کوانتومی، باعث تغییر در حاشیه گاف انرژی می‌شود. تغییر نحوه چیده شدن اتم‌ها در سطح نقطه کوانتومی هم باعث تغییر انرژی گاف می‌شود، که باز هم به دلیل اندازه بسیار کوچک این نقاط است. اندازه گاف انرژی در نقطه کوانتومی همیشه بزرگتر از حالت توده ماده است. یعنی الکترون‌ها برای جهش از روی گاف، باید انرژی بیشتری آزاد کنند. بنابراین، نور تابش‌شده هم باید طول موج کوتاه‌تری داشته باشد، یا به اصطلاح، انتقال به آبی یافته باشد. این خاصیت باعث ایجاد قابلیت تنظیم طول موج تابشی، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه برای نقاط کوانتومی می‌گردد.

6- رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آن‌ها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آن‌ها ساطع می‌شود. طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازه‌ی نقاط کوانتومی بستگی دارد.

هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند،  فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند،  فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است.. پس در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌ تر، گاف انرژی کوچک‌ تر است.

بنابراین، با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیش‌تر، و متمایل به رنگ آبی است. هم‌چنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است.

با افزایش اندازه نقاط کوانتومی به سمت رنگ قرمز (طول موج های بیشتر) متمایل می شویم

7. یک نقطه کوانتومی دارای شکل های مکعبی ریز،استوانه ای کوتاه یا کره ای با ابعاد کوچک نانومتری می باشد وقتی ابعاد کوچک می شود ،ازجابه جایی الکترون ها جلوگیری می شود وآن ها محدودیت راتجربه خواهند کرد.نقاط کوانتومی محدودیت رادرهرسه بعد فضایی اش نشان می دهدوبنابراین درآن هیچ جابه جایی وجود ندارد.

انواع مختلف نقاط کوانتومی

موادی از قبیل سولفید سرب،سولفید روی،فسفات ایندیوم،آرسنیک ایندیوم،تلورید کاد میوم،سلنید کادمیوم،سولفید کادمیوم هستند که این مواد بسته به اندازه وطول موج معینی از نور،پس از تحریک الکترونها با استفاده از یک منبع خارجی از خود نور ساطع می کنند.

(کوانتوم دات سیلیکون)

(کوانتوم دات PbSe)

 AFMتصویر میکروسکوپ نیروی اتمی  کوانتوم دات آرسنیک ایندیوم

برخی نقاط کوانتومی نیزبه صورت ساختارهای هسته- پوسته هستند؛نظیر نقاط کوانتومی cdse(سلنید کادمیوم) که در هسته قرار داشته وبه وسیله پوسته ای از جنس zns(سولفید روی) پوشیده می شود و توانایی نشر نور به رنگهای مختلف را دارد.ویا از فرمهای ویژه ای از سیلیکا به نام ormosil که هسته وپوسته به وسیله لایه ای پلیمری پوشیده می شوند.

 ormosil

** درقسمت بعد به روش های ساخت وکاربردهای نقاط کوانتومی می پردازیم.