نقاط كوانتومي، روش‌هاي ساخت و كاربردها
نقاط كوانتومي، روش‌هاي ساخت و كاربردها
نقاط كوانتومي، روش‌هاي ساخت و كاربردها
نويسنده:سانلي پورفائز
نقاط كوانتومي ــ يا نانوكريستال‌ها ــ در دستة نيمه‌رساناها جاي مي‌گيرند. نيمه‌رساناها اساس صنايع الكترونيك جديد هستند و در ابزارهايي مانند ديودهاي نوري و رايانه‌هاي خانگي به كار گرفته مي‌شوند. اهميت نيمه‌رساناها در اين است كه رسانايي الكتريكي اين مواد را مي‌توان با محرك‌هاي خارجي مانند ميدان الكتريكي يا تابش نور تغيير داد، تا حدي كه از نارسانا به رسانا تبديل شوند و مانند يك كليد عمل كنند. اين خاصيت، نيمه‌رساناها را به يكي از اجزاي حياتي انواع مدارهاي الكتريكي و ابزارهاي نوري تبديل كرده است.
نقاط كوانتومي، به خاطر كوچك بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل كنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد كوچك، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در كاربردهاي علمي و فني به نقاط كوانتومي مي‌بخشد.
الكترون‌ها در مواد نيمه‌رسانا ــ در اندازه‌هاي بسيار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصي از انرژي را دارند. وقتي يك الكترون انرژي متفاوتي از الكترون ديگر دارد، گفته مي‌شود كه در يك تراز انرژي متفاوت قرار دارد. خاصيت ذاتي الكترون‌ها باعث مي‌شود كه بيش از دو الكترون نتوانند در يك تراز انرژي قرار بگيرند. در يك تودة بزرگ از مادة نيمه‌رسانا، ترازهاي انرژي بسيار نزديك هم هستند؛ آن‌قدر نزديك كه به صورت يك بازة پيوسته توصيف مي شوند، يعني تفاوت انرژي دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصيت ديگر موادّ نيمه‌رسانا اين است كه درون بازة پيوستة انرژي‌هايش يك گپ (شكاف، فاصله) وجود دارد، يعني الكترون‌ها مجاز به داشتن انرژي در اين گپ نيستند. الكترون‌هايي كه ترازهاي پايين گپ را اشغال مي‌كنند «الكترون‌هاي ظرفيت در باند ظرفيت» و الكترون‌هاي ترازهاي بالاي گپ «الكترون‌هاي رسانش در باند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار كمي از الكترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشتر الكترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري كه آنها را تقريباً پر مي‌كنند. همين پديده باعث مي‌شود كه موادّ نيمه‌رسانا در حالت عادي (غير برانگيخته) نارساناي جريان الكتريكي باشند. اگر الكترون‌هاي بيشتري بخواهند در باند رسانش قرار گيرند، بايد انرژي كافي براي بالارفتن از گپ انرژي دريافت كنند. تحريك با نور، ميدان الكتريكي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الكترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي كه خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يك حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود مي‌آيد.
تحريكي كه باعث جهش الكترون از نوار ظرفيت به نوار رسانش و ايجاد حفره مي‌شود، بايد انرژي‌اي بيش از پهناي گپ داشته باشد. انرژي پهناي گپ در نيمه‌رساناهاي توده‌اي، مقدار ثابتي است كه تنها به تركيب آن مواد بستگي دارد. الكترون‌هايي كه به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، بعد از مدتي دوباره به نوار ظرفيت برمي‌گردند. در اين بازگشت، ابتدا الكترون‌ها جهش‌هاي بسيار كوچكي مي‌كنند و از طريق لرزش‌هاي گرمايي انرژي‌شان را به باقي تودة ماده منتقل مي‌نمايند كه در نتيجه انرژي به پايين‌ترين تراز سطح در نوار رسانش مي‌رسد و سپس با تابش انرژي به صورت نور، به نوار ظرفيت منتقل مي‌شوند. از آنجا كه گپ انرژي نيمه‌رسانا كاملاً معين است، نور تنها در طول موج معيني تابش مي‌شود.
از آنجا كه ترازهاي انرژي در نقاط كوانتومي ديگر پيوسته نيستند، كاستن يا افزودن تعدادي اتم به نقطة كوانتومي، باعث تغيير در حاشية گپ انرژي مي‌شود. تغيير نحوة چيده شدن اتم‌ها در سطح نقطة كوانتومي هم باعث تغيير انرژي گپ مي‌شود، كه باز هم به دليل اندازة بسيار كوچك اين نقاط است. اندازة گپ انرژي در نقطة كوانتومي هميشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. يعني الكترون‌ها براي جهش از روي گپ، بايد انرژي بيشتري آزاد كنند. بنابراين، نور تابش‌شده هم بايد طول موج كوتاه‌تري داشته باشد، يا به اصطلاح، انتقال به آبي يافته باشد. اين خاصيت باعث ايجاد قابليت تنظيم طول موج تابشي، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه براي نقاط كوانتومي مي‌گردد.
يكي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز كولوئيدي است. در اين روش، نمك‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط كنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است كه با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واكنش يا تثبيت‌كننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات كوانتومي، آنها را با يك لايه از سورفَكتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر كنترل شوند ذرات يكنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.
سورفَكتنت‌ها موادي آلي هستند كه يك سر قطبي (آب‌گريز) و يك سر غيرقطبي (آب‌دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است، اما سر غير قطبي در آب حل نمي‌شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي‌آيند و چون سطح آب محدود است، اين مولكول‌ها يك لاية نازكِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشكيل مي‌دهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» مي‌گويند. انواع مواد شوينده از اين نوع‌اند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربي‌ها و روغن‌ها مي‌چسبد و در نتيجه مي‌توانيم آنها را با آب بشوييم.
نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازك با استفاده از واكنش‌هاي الكتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط كوانتومي هستند.
در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط كوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليكون حك مي‌شوند. اين كار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الكتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امكان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط كوانتومي را كنترل كرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يك يا چند نقطة كوانتومي با دنياي ماكروسكوپي ارتباط برقرار نمود.
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.
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.
منبع: www.nanoclub.ir
/خ
نقاط كوانتومي، به خاطر كوچك بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل كنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد كوچك، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در كاربردهاي علمي و فني به نقاط كوانتومي مي‌بخشد.
الكترون‌ها در مواد نيمه‌رسانا ــ در اندازه‌هاي بسيار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصي از انرژي را دارند. وقتي يك الكترون انرژي متفاوتي از الكترون ديگر دارد، گفته مي‌شود كه در يك تراز انرژي متفاوت قرار دارد. خاصيت ذاتي الكترون‌ها باعث مي‌شود كه بيش از دو الكترون نتوانند در يك تراز انرژي قرار بگيرند. در يك تودة بزرگ از مادة نيمه‌رسانا، ترازهاي انرژي بسيار نزديك هم هستند؛ آن‌قدر نزديك كه به صورت يك بازة پيوسته توصيف مي شوند، يعني تفاوت انرژي دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصيت ديگر موادّ نيمه‌رسانا اين است كه درون بازة پيوستة انرژي‌هايش يك گپ (شكاف، فاصله) وجود دارد، يعني الكترون‌ها مجاز به داشتن انرژي در اين گپ نيستند. الكترون‌هايي كه ترازهاي پايين گپ را اشغال مي‌كنند «الكترون‌هاي ظرفيت در باند ظرفيت» و الكترون‌هاي ترازهاي بالاي گپ «الكترون‌هاي رسانش در باند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار كمي از الكترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشتر الكترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري كه آنها را تقريباً پر مي‌كنند. همين پديده باعث مي‌شود كه موادّ نيمه‌رسانا در حالت عادي (غير برانگيخته) نارساناي جريان الكتريكي باشند. اگر الكترون‌هاي بيشتري بخواهند در باند رسانش قرار گيرند، بايد انرژي كافي براي بالارفتن از گپ انرژي دريافت كنند. تحريك با نور، ميدان الكتريكي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الكترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي كه خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يك حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود مي‌آيد.
تحريكي كه باعث جهش الكترون از نوار ظرفيت به نوار رسانش و ايجاد حفره مي‌شود، بايد انرژي‌اي بيش از پهناي گپ داشته باشد. انرژي پهناي گپ در نيمه‌رساناهاي توده‌اي، مقدار ثابتي است كه تنها به تركيب آن مواد بستگي دارد. الكترون‌هايي كه به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، بعد از مدتي دوباره به نوار ظرفيت برمي‌گردند. در اين بازگشت، ابتدا الكترون‌ها جهش‌هاي بسيار كوچكي مي‌كنند و از طريق لرزش‌هاي گرمايي انرژي‌شان را به باقي تودة ماده منتقل مي‌نمايند كه در نتيجه انرژي به پايين‌ترين تراز سطح در نوار رسانش مي‌رسد و سپس با تابش انرژي به صورت نور، به نوار ظرفيت منتقل مي‌شوند. از آنجا كه گپ انرژي نيمه‌رسانا كاملاً معين است، نور تنها در طول موج معيني تابش مي‌شود.
از آنجا كه ترازهاي انرژي در نقاط كوانتومي ديگر پيوسته نيستند، كاستن يا افزودن تعدادي اتم به نقطة كوانتومي، باعث تغيير در حاشية گپ انرژي مي‌شود. تغيير نحوة چيده شدن اتم‌ها در سطح نقطة كوانتومي هم باعث تغيير انرژي گپ مي‌شود، كه باز هم به دليل اندازة بسيار كوچك اين نقاط است. اندازة گپ انرژي در نقطة كوانتومي هميشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. يعني الكترون‌ها براي جهش از روي گپ، بايد انرژي بيشتري آزاد كنند. بنابراين، نور تابش‌شده هم بايد طول موج كوتاه‌تري داشته باشد، يا به اصطلاح، انتقال به آبي يافته باشد. اين خاصيت باعث ايجاد قابليت تنظيم طول موج تابشي، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه براي نقاط كوانتومي مي‌گردد.
روش ساختن نقاط كوانتومي
يكي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز كولوئيدي است. در اين روش، نمك‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط كنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است كه با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واكنش يا تثبيت‌كننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات كوانتومي، آنها را با يك لايه از سورفَكتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر كنترل شوند ذرات يكنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.
سورفَكتنت‌ها موادي آلي هستند كه يك سر قطبي (آب‌گريز) و يك سر غيرقطبي (آب‌دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است، اما سر غير قطبي در آب حل نمي‌شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي‌آيند و چون سطح آب محدود است، اين مولكول‌ها يك لاية نازكِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشكيل مي‌دهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» مي‌گويند. انواع مواد شوينده از اين نوع‌اند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربي‌ها و روغن‌ها مي‌چسبد و در نتيجه مي‌توانيم آنها را با آب بشوييم.
نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازك با استفاده از واكنش‌هاي الكتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط كوانتومي هستند.
در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط كوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليكون حك مي‌شوند. اين كار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الكتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امكان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط كوانتومي را كنترل كرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يك يا چند نقطة كوانتومي با دنياي ماكروسكوپي ارتباط برقرار نمود.
كاربردهايي براي نقاط كوانتومي
1. نشانگرهاي بيولوژيكي
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.
2. ديودهاي نوراني سفيد
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.
3. اتم‌هاي مصنوعي
4. عناصر مدارهاي نوري
5. مولدهاي انرژي خورشيدي
منبع: www.nanoclub.ir
/خ
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}