معرفي نقاط کوانتومي ،روش هاي سنتزوکاربرد هايش (2)

روشهاي ساخت نقاط کوانتومي

براي ساختن نقاط کوانتومي ميتوان هم از روشهاي بالا به پايين و هم از روشهاي پايين به بالا استفاده کرد.مزيت استفاده از روشهاي پايين به بالا امکان توليد انبوه و ارزان نقاط کوانتومي را ايجاد مي کند و مزيت استفاده از روشهاي بالا به پايين امکان کنترل بيشتر محل اين نانوذرات و جاسازي آنها درون مدارهاي الکترونيکي يا ابزارهاي آزمايش مي باشد.

بطور کلي روشهاي سنتز نقاط کوانتومي شامل

1. سنتز کلوئيدي

2.  فراوري

3. خود آرايي ويروسي

4. خود آرايي الکترو شيميايي

5. نقاط کوانتومي بدون کادميوم

سنتزکلوييدي

در سنتز کلوئيدي نمکهاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط کنترل شده،به حالت بلوري در مي آيند. سنتزنقاط کوانتومي کلوئيدي در سيستمي سه جزئي متشکل از پيش سازها،سورفکتانت آلي وحلال(سورفکتانتها موادي آلي هستند که يکسرقطبي( آب گريز) و يک سر غير قطبي ( آب دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است،اما سر غير قطبي در آب حل نمي شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي آيند و چون سطح آب محدود آست،اين ملکولها يک لايه ي نازک بهم فشرده ومنظم را تشکيل مي دهند.به اين خاصيت"خود ساماندهي"مي گويند.انواع مواد شوينده از اين نوع اند در مواد شوينده سر غير قطبي به چربيها وروغنها مي چسبد و در نتيجه مي توانيم آنها را با آب بشوييم)مهمترين مرحله در اين روش جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است که با تغيير دما يا افزودن مواد خاتمه‌دهنده واکنش يا تثبيت‌کننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات کوانتومي، آنها را با يک لايه از سورفَکتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر کنترل شوند ذرات يکنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.

روش فرآوري

نقاط کوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليکون حک مي‌شوند. اين کار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امکان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط کوانتومي را کنترل کرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

روش خودآرايي ويروسي

دراين روش ،ويروس هايي که به طريق ژنتيکي دستکاري مي شوند مي توانند سطوح نيمه هادي بخصوص  نيمه هادي هايي نظيرZns راازطريق روش هاي انتخابگري شناسايي کنند واطراف اين نيمه هادي آرايش يابند وبدين ترتيب نقاط کوانتومي اي که سنتز مي شوند ،از نظر باکتري وفازهاي نوترکيب بسيار متنوع هستند.

روش خود آرايي الکترو شيميايي

 اين روش براساس نشاندن لايه هاي نازک برروي سطوح نيمه هادي صورت مي گيردويکي از روش هاي پايين به بالا براي ساختن نقاط کوانتومي است.

روش سنتز نقاط کوانتومي بدون کادميوم

اين روش بدين خاطرمورد توجه قرارگرفته است که استفاده از فلزات سنگين نظير کادميوم درساخت وسايل مورد نيار ممنوع است زيرا باعث توليد گازهاي گلخانه اي مي شود.بنابراين جهت بقاي تجاري ،سنتز نقاط کوانتومي که فاقد فلزات سنگين باشند،مورد توجه است.

كاربردهاي نقاط كوانتومي

کاربرد نقاط کوانتومي در پزشکي

انتشار نور توسط نقاط کوانتومي در تشخيصهاي پزشکي کاربردهاي فراوان دارد.اين نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتي عمل مي کنند.با اين تفاوت که در برابر درخشان شدن،خاصيت وتوانايي خود را از دست نمي دهندو در برابر تعداد سيکلهاي تحريک وانتشار نور مقاومت بيشتري از خود نشان مي دهند.

در واقع نقاط کوانتومي با تحريک الکتريکي يا توسط گستره وسيعي از طول موجها در فرکانسهاي کاملا مشخص به فلوئور سانس مي پردازند،به اين شکل که فرکانسي از نور را جذب کرده ودر فرکانس مشخص(که تابع اندازه آنهاست) به نشر نور مي پردازند.اين ذرات همچنين مي توانند بر حسب ولتاژاعمال شده،به انعکاس ،شکست يا جذب نور بپردازند. نقاط کوانتومي مي توانند به گونه اي تنظيم شوند که در رنگ هاي مختلف با يک طول موج نور معين بدرخشند. به عبارتي مي توانيم نقاط کوانتومي را بسته به فرکانس مورد نياز نور انتخاب کنيم و باعث شويم تا يک گروه از نقاط کوانتومي مشابه گروه ديگري با يک طول موج بدرخشند. اين امر به برچسبهاي چندگانه امکان مي دهد تا با استفاده از يک منبع نور وارد رديابي شوند.

امروزه در پزشکي از نقاط کوانتومي در تشخيص مرز واقعي بين سلولهاي سالم وسلولهاي تومور در مغز مي پردازند. تيمي از محققان اعلام داشته اند که نقاط کوانتومي در هنگام تزريق به حيوانات مبتلا به تومور مغزي در محل تومور تجمع مي کنند.اين نقاط  قابل رويت هستند و حتي زمانيکه تحت تابش قرار نمي گيرند نيز مرئي مي باشند. زماني که نور آبي يا نور ماوراي بنفش به آنها تابانده مي شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع مي کنند. محقق اين نور را با استفاده از دوربين هاي ديجيتالي ويژه ، وسايل اسپکتروسکوپي اپتيکي يا ميکروسکوپ فلوئورسانس ميدان تاريک دريافت مي کنند و بدين ترتيب مکان دقيق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعيين مي‌کنند.

اين نقاط دردرمان ناباروري بويژه در مردان نيزکاربرددارند ،به اين صورت که درمردان نابارور بااستفاده ازنانوربات هاي سيال وباکمک نقطه کوانتومي اسپرم رابه درون تخمک منتقل کرده وباروري موفقي راباوجودتعداد کم اسپرم يا اسپرم هاي ناتوان ايجاد خواهدکرد.

نقاط کوانتومي براي کشف سلول هاي سرطاني در کل بدن ودرمان سرطان نيزکاربرد دارند،به اين صورت که اين نقاط رادر کپسول هاي پليمري قرار مي دهند وبا هدف رساندن آن به سلول سرطاني ورساندن دارو به منطقه هدف، براي درمان سلول موردنظر کاربرد دارندويکي اززمينه هاي بسيارجديد درتحقيقات ، چگونگي دريافت اطلاعات موردنظرازمولکول ها وسلول ها به وسيله کوانتوم دات ها است.

نشانگرهاي بيولوژيكي

امكان تابش در فركانس‌هاي مطلوب، نقاط كوانتومي را ابزاري كارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط كوانتومي را به انتهاي بيومولكول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل كرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده كرد.

 تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط كوانتومي اين امكان را فراهم آورده است كه همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به كار برد و از نحوه و ميزان برهمكنش آنها مطلع شد. پيش از اين از مولكول‌هاي رنگي براي اين كار استفاده مي‌شد كه تنوع كمتري از نقاط كوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌كارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند. درواقع نشاندار کردن سلولها تکنيکي است که با استفاده از چندين رنگ جهت مشاهده ساختارهاي سلولي نظير پروتئينهاي اسکلت سلولي ويا اندامک هاست .

کامپيوتر هاي کوانتومي

ازنقاط كوانتومي مي‌توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت- در يك کامپيوتركوانتومي استفاده كرد.درواقع كامپيوتر كوانتومي دستگاهي است كه يك پديده ي فيزيكي را بر اساس قوانين مكانيك كوانتومي به صورت منحصر به فردي در مي آورد تا به صورت اساسي يك حالت جديداز پردازش اطلاعات را تشخيص دهد.در مطلبي به طور جداگانه به بررسي کامپيوتر هاي کوانتومي مي پردازيم.

ديودهاي نوراني سفيد

قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط كوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد كه آنها را به عنوان ديود نوراني به كار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازه بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با كارآيي بسيار بالا ايجاد كرد. همچنين با تركيب نقاط كوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد كرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يك طريق برانگيخت.

مي‌دانيم كه نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه كرد؛ مانند همان چيزي كه در رنگين‌كمان مشاهده مي‌كنيم. معكوس اين حالت هم امكان‌پذير است، يعني مي‌توان با تركيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد كرد كه سفيد به نظر بيايد. با آنكه نقاط كوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌كنند، اما همة آنها را مي‌توان با يك پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريك كرد. درست مانند شكل (ارلن‌هاي رنگي) كه همة محلول‌ها تحت تابش يك منبع قرار دارند.

حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط كنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌كنند. چون طيف تابشي نقاط كوانتومي بسيار باريكتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، كه در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.

کاربرد نقاط کوانتومي درسا خت آشکارسازهاي مادون قرمز

با کنترل ابعاد نقاط کوانتومي، ميدان الکترومغناطيسي ،نور را دررنگها و طول موجهاي مختلف، منتشرمي کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومي از جنس آرسنيدکادميوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر مي کند؛ درحالي که ذراتي به بزرگي 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمي کند. به دليل قابليت توليد نور در طول موجهاي خاص نقاط کوانتومي ، اين بلورهاي ريز در ادوات نوري به کارمي روند. دراين عرصه از نقاط کوانتومي در ساخت آشکارسازهاي مادون قرمزو ديودهاي انتشار دهنده ي نورمي توان استفاده نمود. آشکارسازهاي مادون قرمز از اهميت فوق العاده اي برخوردارند. مشکل اصلي اين آشکارسازها مسئله ي خنک سازي آنهاست. براي خنک سازي اين آشکارسازها از اکسيژن مايع وخنک سازي الکترونيکي استفاده مي شود. اين آشکارسازها براي عملکرد صحيح بايد دردماهاي بسيار پائين، نزديک به 80 درجه کلوين کارکنند، بنابراين قابل استفاده در دماي اتاق نيستند، درصورتي که از آشکارسازهاي ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومي مي توان به راحتي در دماي اتاق استفاده کرد.

اتم‌هاي مصنوعي

باردار كردن نقاط كوانتومي، به علت كوچكي، به سادگيِ باردار كردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه كردن هر الكترون به يك نقطة كوانتومي، بايد بر انرژي الكترواستاتيك بين الكترون‌هاي روي نقطة كوانتومي غلبه كرد. اين كار را با اِعمال ميدان الكتريكي انجام مي‌دهند. الكترون‌هايي كه به نقاط كوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ كوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند كه خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين كسي كه اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.

عناصر مدارهاي نوري

يكي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست كه در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط كوانتومي، مي‌تواند بر اين مشكل فائق آيد. نقاط كوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي كارآمدتر با اغتشاش كمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌كنند.

سلول هاي خورشيدي

در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يكي از منابع مهم توليد انرژي الكتريكي، تابش خورشيد است. به دليل افزايش نياز بشر به منابع انرژي پاک، صنعت توليد سلو لهاي خورشيدي با سرعت بسياري در حال گسترش است.مشكل اصليِ سلول خورشيدي کنوني، هزينة بالا و كارآيي كمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشكيل شده‌اند كه با جذب نور خورشيد، الكترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌كنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محركة الكتريكي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها كه جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود.

سلو لهاي خورشيدي سيليکوني متعارف توانايي لازم براي تبديل تمام انرژي فوتو نهاي جذب شده به الکترو نها وحفر ه هاي آزاد و در نهايت توليد الکتريسيته را ندارند. از سوي ديگر، به علت قيمت بالاي مواد خام نيمه هادي و نيز فرآيندهايي که براي تبديل مواد خام به سلو لهاي کاربردي نياز است هزينه ي توليد اين سلو لها بسيار بالا است. نقاط کوانتومي انقلابي را در توليد سلو لهاي خورشيدي ارزا ن قيمت با بازد هي بالا آغاز کرده است.  انواع مختلف نقاط کوانتومي که به منظور تطبيق يافتن و جذب نور طيف خورشيد طراحي شده اند را مي توان در يک سلول خورشيدي گردآوري نمود .نقاط کوانتومي باا ستفاده ا زا ندازه منحصربه فردشان از قابليت هاي مهمي براي برقراري تعامل نوري بامنبع نور برخوردار هستند. در سيليکو نها، يک فوتون نوري، يک الکترون از مدار اتم رها مي سازد. دراواخر دهه 90 ميلادي آرتور نوزيک از محققان ارشد آزمايشگاه ملي منابع تجديدپذير انرژي در کلورادوي آمريکا بر اين فرض بود که نقاط کوانتومي مواد خاص نيمه هاد يها هستند که مي توانند به هنگام برخورد با فوتو نهاي داراي سطح انرژي بالا دو يا تعداد بيشتري الکترون آزاد کنند. اين فرآيند را در پايانه هاي فو ق بنفش و آبي طيف رنگي نيز مشاهده ميکنيم.در واقع با طراحي نقاط كوانتومي كه بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي سلول هاي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.

ليزرهاي نقطه کوانتومي

واژه" ليزر" اختصاري براي عبارتي است به معناي " تقويت نور به وسيله ي گسيل برانگيخته نور"است .نورگسيل شده ازيک ليزرهم تکفام (تک طول موج )وهم همدوس (هم فاز ) مي باشد .ليزرهاي نقطه کوانتومي،يکي از انواع ليزرهاي نيمه رسانا هستند.  نقاط کوانتومي به علت محدوديت حامل هاي بار وطيف نوري نشري گسسته که مربوط به ترازهاي الکتروني گسسته مي باشد ، ساختار الکترونيکي شبيه به اتم واقعي از خود به نمايش مي گذارند.

از مزاياي اين ليزرها :1. بهبود پهناي باند مدولاسيون

2. جريان آستانه پايين

3. بهبود پارامتر پهناي خط

4. حساسيت کم به دما را مي توان نام برد

ناحيه فعال نقطه کوانتومي مي تواند مهندسي شود تا يک طول موج خاص را منتشر سازد،اين کار بوسيله سايز نقطه کوانتومي  و ميزان ترکيب در آن کنترل مي شود.کارايي ليزرهاي نقطه کوانتومي بسيار بيشترازليزرهاي معمولي است.