نقاط کوانتومی چیست؟

تصویر: نقاط کوانتومی بلورهایی هستند که توانایی تبدیل طیفی از نور را به رنگ های مختلف دارند. نقاط کوانتومی کریستال های ساخته دست بشر در مقیاس نانو هستند که توانایی تبدیل طیفی از نور را به رنگ های مختلف دارند. هر نقطه بسته به اندازه خود رنگ متفاوتی از خود ساطع می کند. (Image: RNGS Reuters/Nanosys)
 
نقاط کوانتومی (QDs) (Quantum dots) بلورهای نانومقیاس ساخته دست بشر هستند که می توانند الکترون ها را انتقال دهند. هنگامی که نور UV به این نانوذرات نیمه رسانا برخورد می کند، آنها می توانند نورهایی با رنگ های مختلف ساطع کنند. این نانوذرات نیمه هادی مصنوعی در کامپوزیت ها، سلول های خورشیدی و برچسب های بیولوژیکی فلورسنت کاربرد پیدا کرده اند.
 
نانوذرات نیمه رسانا - نقاط کوانتومی - در دهه 1970 تئوریزه شدند و ابتدا در اوایل دهه 1980 ایجاد شدند. اگر ذرات نیمه هادی به اندازه کافی کوچک ساخته شوند، اثرات کوانتومی وارد عمل می شوند که انرژی هایی را که در آن‌ها الکترون ها و حفره ها (عدم وجود الکترون) در ذرات می توانند وجود داشته باشند را محدود می کنند. از آن جایی که انرژی با طول موج (یا رنگ) مرتبط است، این بدان معنی است که خواص نوری ذره را می توان بسته به اندازه‌اش به خوبی تنظیم کرد. بنابراین، ذرات می توانند صرفاً با کنترل اندازه خود، طول موج های خاصی از نور را ساطع یا جذب کنند.
 
نقاط کوانتومی، نانوساختارهایی مصنوعی هستند که بسته به جنس و شکل آن‌ها می‌توانند ویژگی‌های متنوعی داشته باشند. به عنوان مثال، به دلیل خواص الکترونیکی خاص‌شان، می توان از آنها به عنوان مواد فعال در ترانزیستورهای تک الکترونی استفاده کرد.
 
ویژگی‌های یک نقطه کوانتومی نه تنها با اندازه آن، بلکه با شکل، ترکیب و ساختار آن تعیین می‌شود، به عنوان مثال با این یک نقطه کوانتومی توخالی یا توپر باشد. یک فناوری ساخت قابل اعتماد که از ویژگی‌های نقاط کوانتومی استفاده می‌کند - برای کاربردهای گسترده در زمینه‌هایی مانند کاتالیزور، الکترونیک، فوتونیک، ذخیره‌سازی اطلاعات، تصویربرداری، پزشکی یا سنجش - باید توانایی تولید مقادیر زیادی از نانو کریستال هایی که هر دسته با توجه به پارامترهای دقیقا مشابه تولید می شوند را داشته باشد.
 
از آن جایی که مولکول‌های بیولوژیکی خاصی قادر به شناسایی مولکولی و خودآرایی هستند، نانوکریستال‌ها همچنین می‌توانند به یک بلوک ساختمانی مهم برای نانودستگاه‌های عملکردی خودآرایی تبدیل شوند.
 
حالت های انرژی اتم مانندQD ها علاوه بر این، به خواص نوری ویژه ای مانند طول موج فلورسانس وابسته به اندازه ذره کمک می کند، اثری که در ساخت کاوشگرهای نوری برای تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی استفاده می شود.
 
تا کنون، استفاده در تجزیه و تحلیل زیستی و برچسب‌گذاری زیستی، وسیع‌ترین کاربرد را برای QD‌های کلوئیدی پیدا کرده است. اگرچه نسل اول نقاط کوانتومی قبلاً به پتانسیل آنها اشاره کرده بود، تلاش زیادی برای بهبود خواص اساسی، به ویژه پایداری کلوئیدی در محلول های حاوی نمک انجام شد. در ابتدا، از نقاط کوانتومی در محیط‌های بسیار مصنوعی استفاده می‌شد و این ذرات به سادگی در نمونه‌های «واقعی» مانند خون رسوب می‌کردند. اکنون این مشکلات حل شده اند وQD ها در کاربردهای واقعی کاربرد فراوانی یافته اند.
   
تصویر: ویال‌های نقاط کوانتومی رنگ‌های زنده از بنفش تا قرمز تیره تولید می‌کنند. به عنوان مثال، یک نقطه کوانتومی مبتنی بر کادمیوم پاسخ رنگ سبز خالص و بسیار خاص را نشان می دهد. (تصویر: ناسا)
 
نقاط کوانتومی کاربردهایی در کامپوزیت ها، سلول های خورشیدی (سلول های گراتزل) و برچسب های بیولوژیکی فلورسنت (به عنوان مثال برای ردیابی یک مولکول بیولوژیکی) پیدا کرده اند که از اندازه ذرات کوچک و سطوح انرژی قابل تنظیم استفاده می کنند.
 
پیشرفت‌های شیمی منجر به آماده‌سازی نقاط کوانتومی کریستالی حمایت شده با تک‌لایه، و با کیفیت بالا، و دارای پراکندگی تک فازی، با قطری به کوچکی 2 نانومتر شده است که می‌توانند به راحتی به عنوان یک معرف شیمیایی معمولی مورد عمل و پردازش قرار گیرند.
 

نقاط کوانتومی در پزشکی

نقاط کوانتومی محققان را قادر می سازد تا فرآیندهای سلولی را در سطح یک مولکول مطالعه کنند و ممکن است تشخیص و درمان بیماری هایی مانند سرطان را به طور قابل توجهی بهبود بخشند. QD ها یا به عنوان عناصر حسگر فعال در تصویربرداری سلولی با وضوح بالا استفاده می شوند، جایی که خواص فلورسانس نقاط کوانتومی در واکنش با آنالیت تغییر می کند، یا در پروب های برچسب غیرفعال که در آن مولکول های گیرنده انتخابی مانند آنتی بادی ها به سطح نقطه ها مزدوج شده اند.
 
نقاط کوانتومی می توانند پزشکی را متحول کنند. متأسفانه اکثر آنها سمی هستند. از قضا، وجود فلزات سنگین درQD ها مانند کادمیوم، که برای انسان سمی و سرطان زاست، خطرات بالقوه ای را به ویژه برای کاربردهای پزشکی در آینده، که در آنqdot ها (یا همان نقاط کوانتومی) عمداً به بدن تزریق می شوند، ایجاد می کند.
 
از آنجایی که استفاده از نانومواد برای کاربردهای زیست پزشکی در حال افزایش است، آلودگی و سمیت زیست محیطی باید مورد توجه قرار گیرد و توسعه نانوموادی غیر سمی و زیست سازگار به یک موضوع مهم تبدیل شده است.
 

نقاط کوانتومی در فتوولتائیک

جذابیت استفاده از نقاط کوانتومی برای ساخت سلول های خورشیدی در چندین مزیت در مقایسه با روش های دیگر نهفته است: آنها را می توان در یک فرآیند صرفه جویی در انرژی در دمای اتاق تولید کرد. آنها را می توان از مواد فراوان و ارزان قیمتی تهیه کرد که مانند سیلیکون نیازی به تصفیه گسترده ندارند. و آنها را می توان برای انواع مواد بستر ارزان و حتی انعطاف پذیر مانند پلاستیک های سبک استفاده کرد.
 
اگرچه استفاده از نقاط کوانتومی به‌عنوان پایه سلول‌های خورشیدی ایده جدیدی نیست، تلاش‌ها برای ساخت دستگاه‌های فتوولتائیک هنوز به کارایی کافی در تبدیل نور خورشید به انرژی دست نیافته‌اند.
 
یک مسیر امیدوارکننده برای سلول‌های خورشیدی نقطه کوانتومی، یک جوهر نیمه‌رسانا است که هدف آن امکان پوشش مناطق وسیعی از بسترهای سلول خورشیدی در یک مرحله رسوب‌گذاری و در نتیجه حذف ده‌ها مرحله رسوب‌گذاری لازم با روش لایه‌به‌لایه قبلی است.
 

نقاط کوانتومی گرافن

گرافن اساساً یک شکل مسطح و باز نشده از یک نانولوله کربنی است، و بنابراین به یک ماده نامزد بسیار جالب برای الکترونیک در مقیاس نانو تبدیل شده است. محققان نشان داده‌اند که می‌توان ترانزیستورهای نانومقیاس را از یک کریستال گرافن (یعنی نقاط کوانتومی گرافن) استخراج کرد. برخلاف تمام مواد شناخته شده دیگر، گرافن حتی زمانی که به دستگاه هایی با عرض یک نانومتر بریده می شود، بسیار پایدار و رسانا باقی می ماند.
   
تصویر: نقطه کوانتومی حک شده از ورقه گرافن. (عکس: گروه فیزیک مزوسکوپی، دانشگاه منچستر)
 
نقاط کوانتومی گرافن (GQDs) (Graphene quantum dots) همچنین پتانسیل زیادی در زمینه فوتوالکترونیک، فتوولتائیک، حسِ زیستی، و تصویربرداری زیستی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد فوتولومینسانس (PL) (photoluminescence) خود، از جمله زیست سازگاری عالی، سمیت کم، و پایداری بالا در برابر نور سفید شدن در برابر نور و چشمک زدن در برابر نور، نشان می‌دهند.
 
دانشمندان هنوز در حال کار بر روی یافتن روش‌های کارآمد و جهانی برای سنتز GQD با پایداری بالا، ویژگی‌های سطح قابل کنترل و طول موج انتشار PL قابل تنظیم هستند.
 

نقاط کوانتومی پروسکایت

نقاط کوانتومی درخشان (LQD) (Luminescent quantum dots) که دارای بازده کوانتومی فوتولومینسانس بالا، کنترل رنگ انتشار انعطاف پذیر و قابلیت پردازش محلول هستند، برای کاربرد در سیستم های روشنایی (نور سفید گرم بدون تابش UV و مادون قرمز) و نمایشگرهای با کیفیت، بسیار امیدوارکننده هستند.
 
با این حال، تجاری سازیLQD ها به دلیل هزینه بسیار بالای تولید آنها متوقف شده است. در حال حاضر، LQD ها با روش HI تهیه می شوند که به منظور بهبود خواص نوری و پایداری، به دمای بالا و پردازش سطح خسته کننده نیاز دارند.
 
سیستم‌های نقطه کوانتومی پروسکایت هالید غیرآلی اگرچه اخیراً توسعه یافته‌اند، عملکردهای قابل مقایسه و حتی بهتری نسبت به QD‌های سنتی در بسیاری از زمینه‌ها از خود نشان داده‌اند.
 
با تهیه نقاط کوانتومی پروسکایت معدنیِ (IPQD)  (inorganic perovskite quantum dots) بسیار گسیل‌پذیر در دمای اتاق، مزایای نوری برتر IPQD می‌تواند به کاربردهای امیدوارکننده‌ای در روشنایی و نمایشگرها منجر شود.
 

تلویزیون‌ها و نمایشگرهای نقطه کوانتومی

رایج ترین استفاده از نقاط کوانتومی امروزه ممکن است صفحه نمایش تلویزیون باشد. سامسونگ و ال‌جی تلویزیون‌های QLED خود را در سال 2015 راه‌اندازی کردند و چند شرکت دیگر نیز پس از مدت کوتاهی از آن استفاده کردند.
 
نقاط کوانتومی، به دلیل این که هم نور فعال هستند (فوتولومنسسنت) و هم الکترو اکتیو (الکترولومینسانس) و دارای خواص فیزیکی منحصر به فردی هستند، هسته اصلی نمایشگرهای نسل بعدی خواهند بود. در مقایسه با مواد شب تاب آلی مورد استفاده در دیودهای ساطع کننده نور آلی (OLED)( organic light emitting diodes)، مواد مبتنی بر QD دارای رنگ های خالص تر، طول عمر بیشتر، هزینه ساخت کمتر و مصرف انرژی کمتری هستند. یکی دیگر از مزایای کلیدی این است که، از آن جایی که QD ها را می توان تقریباً روی هر بستری قرار داد، می توانید منتظر نمایشگرهای نقطه کوانتومی قابل چاپ و انعطاف پذیر - حتی قابل رول شدن - با هر اندازه باشید.
 

نقاط کوانتومی و کاربردهای آنها: چه چیزی در پیش است؟

به هر حال، از اولین کارها بر روی کاهش ابعاد نیمه هادی ها که منجر به مفهوم "اتم های مصنوعی" یا نقاط کوانتومی (QD) شد، سال ها می گذرد. این نانوبلورهای نیمه هادی، با قطرهایی به اندازه نانومتر، اثرات اندازه کوانتومی را در خواص نوری و الکترونیکی خود نشان می دهند. به طور خاص، فتولومینسانس(PL) قابل تنظیم و کارآمد، با انتشار محدود و پایداری فتوشیمیایی، و ساختارهای هسته-پوسته، معمولاً امروزه برای بسیاری از سیستم‌های مواد QD به دست می‌آیند. در نتیجه، QD ها به عنوان عناصر فعال در طیف گسترده ای از دستگاه ها و برنامه ها گنجانده شده اند. بسیاری از این برنامه ها اکنون به صورت تجاری در دسترس هستند و در زندگی روزمره ما گنجانده شده اند، مانند صفحه نمایش های مبتنی بر QD.
 
علیرغم این که این فناوری اکنون بخشی از فناوری های بالغ است، سنتز QD، در مورد خصوصیات و کاربردهای آن، هنوز یک زمینه بسیار فعال از تحقیقات را تشکیل می دهند. در حالی که تحقیقات اولیه QD به شدت در ترکیبات گروه IV و III-V متمرکز بود، پیشرفت در سنتز در طول سال ها ترکیب عنصری را گسترش داده است. در حال حاضر، QDها همچنین بر اساس ترکیبات II-VI و I-III-VI و همچنین دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه، پروسکایت‌ها و کربن هستند. کاربردهای QD بیشتر بر اساس خواص نوری عالی و نقش آنها در انتشار، تبدیل و تشخیص نور است. به این ترتیب، QD ها، همان طور که در شکل نشان داده شده است تعداد زیادی از حوزه های کاربردی را در بر می گیرند.
   
تصویر: کاربردهای مبتنی بر  QD
 

 QD برای دیودهای ساطع نور (LED) و کاربردهای نمایشگر

تکنولوژی LED اولیه قویاً بر اساس ساختارهای ناهمسان III-V بود که در نهایت QD های همپایه را در خود جای داد. برخلاف سنتز کلوئیدی، این QD ها به طور طبیعی در یک ساختار ناهمگن چندلایه رشد یافته روی یک بستر نیمه هادی ادغام می شوند. در میان بسیاری از سیستم های مواد، QDهای InAs/GaAs  مطمئناً به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته اند. با این حال، دمای بالای فرآیند رشد، به عنوان مثال، به دلیل دفع، می تواند مشکلاتی را برای کنترل رابط ایجاد کند. برای پرداختن به این مشکل، دولایه‌های QD  جفت‌شده عمودی با افزایش زیاد در شدت PL، با پوشش دار کردن  QD‌ها توسط لایه‌های InxGa1-xAs خود مونتاژ شده به دست آمدند. مشکل دیگری که معمولاً در سیستم‌های QD همپایه یافت می‌شود، تحلیل پس پردازش است. رویکرد جدیدی برای حل این مسئله با استفاده از نانوغشاهای نیمه هادی حکاکی شده شیمیایی و طیف‌سنجی تونل زنی روبشی نشان داده شده است.
 
در میان ترکیباتIII-V، QD های کلوئیدی پردازش شده با محلول به دلیل PL قابل تنظیم، روشن و باریکشان در کاربردهای LED و نمایشگر مورد بررسی قرار گرفته اند. با افزودن چند پوسته ZnSe/ZnS به هسته‌هایInP، پیشرفت‌های قابل‌توجهی به دست می‌آید که به خوبی برای برنامه‌های نمایش طیف رنگی گسترده مطابقت دارد.
 

فتوولتائیک

دستگاه‌های فتوولتائیک مدت‌هاست که از نانو مواد به منظور افزایش راندمان تبدیل انرژی استفاده می‌کنند. با این وجود، استراتژی های جدیدی برای دستیابی به این هدف گزارش شده است، از جمله آنهایی که شامل QDهای CdS و CdSe و CdSe/CdS هسته-پوسته می شوند. همچنین، روش‌های جدیدی برای پوشاندن PbS QD با لیگاندهای اتمی  و بهبود غیرفعال‌سازی لایه‌های نازک CdSe/CdS/ZnS هسته-پوسته-پوستهQDها توصیف شده‌اند. از مهندسی لیگاند و حلال نیز در فیلم‌های PbS QD استفاده شد.
 

فتوکانداکتورها و فتودیتکتورها

تشخیص فوتون را می‌توان با انواع مختلفی از دستگاه‌ها، مانند مقاومت‌های وابسته به نور (رساناهای نوری) یا فوتودیودها انجام داد. موادی که بر اساس آنها ساخته شده اند به محدوده طیفی مورد علاقه بستگی دارد. QDها با موفقیت در این پلتفرم های تکنولوژیکی موجود برای بهبود عملکردشان ادغام شده اند.
در ناحیه طیفی IR، پاسخگویی افزایش یافته در آشکارسازهای نوری PbS QD را می توان با استفاده از روش تبادل لیگاند دو مرحله ای به دست آورد. رساناهای نوری نیز از فیلم‌های PbS QD با بسته‌بندی بالا ساخته شدند که با استفاده از تکنیک مایکروویو-پلیول سریع سنتز شدند. آشکارسازهای نوری رسانای نوری مادون قرمز با طول موج میانی با پاسخ‌دهی بالا از QD‌های Ag2Se ساخته شدند. تکنیک‌های چاپ نیز برای دستگاه‌های مبتنی برPbS QD، مانند رساناهای نوری باند پهن  و آرایه‌های آشکارساز نوری به کار گرفته شد.
 

کاربردهای زیست پزشکی و زیست محیطی

لومینسانس بالا، انتشار باریک، و (بسته به ترکیب عنصری) سمیت و زیست سازگاری کمQD ها، آنها را به یک کاندید عالی برای کاربردهای بیو تصویربرداری، تشخیصی و حسگری زیستی، که بیشتر مربوط به علوم زیست پزشکی و زیست محیطی است، تبدیل می کند.
 
از این نظر، QD های فسفر فیبری به عنوان برچسب های فلورسنت برای تصویربرداری زیستی آدنوکارسینوم انسانی نشان داده شدند. QDهایCuInS2/ZnS ، با اتصال غیراختصاصی کم و درهم آمیختگی زیستی ممکن، به عنوان نشانگرهایی برای تصویربرداری سلولی نشان داده شدند. همین کاربرد، همراه با سنجش زیستی، برای QDهای MoS2 تولید شده با استفاده از یک فرآیند میکروسیالی چند چرخه پیوسته کوچک شده پیشنهاد شده است.
 

کاتالیز و سایر کاربردها

فناوری فوتوکاتالیز نیمه هادی، نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند. QD ها همچنین برای بهبود مسیرهای کاتالیزوری موجود یا ایجاد مسیرهای جدید کاوش شده اند. نیترید کربن گرافیتی اصلاح شده با کربن QD، تکامل فتوکاتالیستی H2 را با پوسیدگی کم یا بدون پوسیدگی در فعالیت برای نیم سال ارائه کرد. تولید H2  نور محور نیز با نانوکامپوزیت های TiO2/Pt حساس شده با کربن QD به دست آمد. QD های گرافنی دوپ شده با N تولید شده توسط فرسایش لیزر مایع در محلول های آبی مختلف، انتخاب کاتالیزوری بالایی برای واکنش کاهش O2 نشان دادند و همچنین برای تبدیل کاتالیستی 4-نیتروفنل به 4-آمینوفنل تحت نور نزدیک بهIR. سنتز فوتوکاتالیستی ایمین ها با کاتالیزورهای تزئین شده با QDهای  CdSنشان داده شد. به طور جداگانه، افزایش فعالیت آنزیمی با هم افزایی قوی بین قفس های DNA و CdSe/CdZnS/ZnS  هسته-پوسته-پوسته و CdSe/ZnS هسته-پوسته QD به دست آمد.
 
همان طور برای کاربردهای مختلف، QD های فلورسنت CdTe با نانوذرات ماگمیت مونتاژ شدند و برای بازرسی ذرات مغناطیسی در مواد فرومغناطیسی پیشنهاد شدند. کپسوله سازی و نانو برچسب ها برای احراز هویت کالاها نیز در میان برنامه های QD یافت می شوند. کپسول‌هایی با اندازه میکرومتر که از نظر حرارتی تا دمای 350 درجه سانتی‌گراد پایدار هستند، با پراکندگی QDs CdSe/ZnS در کریستال‌های مایع به‌دست آمدند، در حالی که PbS و PbS/CdS QD بسیار پایدار با پوشش‌های هیبریدی به عنوان نانوبرچسب‌های درخشان برای محصولات نفتی مایع پیشنهاد شدند.
 
به طور خلاصه، QDs یک زمینه فعال و فشرده برای تحقیقات در تحقیقات کاربردی نانومواد باقی می ماند. ما انتظار داریم که این فهرست چشمگیر از انتشارات بتواند نمونه خوبی از مشارکت های اخیر در این زمینه و به سمت جهش های فناوری آینده بر اساس نتایج این تحقیقات را در اختیار خواننده قرار دهد.
 
منبع: nanowerk