آشنایی با کوانتوم دات

کوانتوم دات چیست؟

امتیاز کاربران

ستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعال
 

 وقتی شروع به کوچک کردن ابعاد یک ماده توده یا حجیم می‌کنیم، در ابتدا تغییر خاصی در خواص آن به چشم نمی‌خورد. اگر این روند را همچنان ادامه دهیم و مدام ابعاد را کوچک و کوچک‌تر نمایم، در مقیاس میکرومتر تغییرات نسبی در برخی خواص ماده مشاهده می‌شود، در صورت کوچک‌تر کردن ابعاد و رسیدن به مقیاس نانومتری این تغییرات بسیار شگفت‌انگیز و ویژگی‌های بدست آمده بسیار منحصر به فرد هستند. همانطور که می‌دانید هر ماده حجیم یا توده دارای سه بعد است؛ در صورتی که تنها یک بعد را کوچک کنیم و ابعاد دیگر همچنان بزرگ مقیاس باقی بمانند ماده بدست آمده را چاه کوانتومی می‌نامند. اگر دو بعد را به ابعاد نانومتری برسانیم و تنها یک بعد مقیاس ماکرو باقی بماند ساختار بدست آمده یک سیم کوانتومی خواهد بود و نهایتا اگر هر سه بعد را تا ابعاد نانومتری کوچک کنیم یک نقطه کوانتومی خواهیم داشت. دلیل اطلاق پسوند "کوانتومی" به این سه ساختار، تغییرات ایجاد شده در آنها بر اثر کوچک شدن ابعاد است که ناشی از طبیعت کوانتوم-مکانیکی فیزیک در ابعاد مافوق کوچک است. به عبارت دیگر ویژگی‌های ایجاد شده در این ابعاد از رهیافت فیزیک کوانتوم قابل بررسی و تشریح است.

 

 

 

از آنجا که نقاط کوانتومی بسیار شبیه به اتم‌ها هستند گاهی آنها را اتم‌های مصنوعی نیز می‌نامند؛ حال اگر این اتم مصنوعی را به عنوان یک واحد سازنده ساختاری در نظر بگیریم، می‌توانیم آرایه‌هایی از نقاط کوانتومی را شکل دهیم. الکترون‌ها درون آرایه‌های نقاط کوانتومی می‌توانند به اطراف حرکت کرده و با یکدیگر برهمکنش داشته باشند و اثرات جالب توجهی بر خواص مغناطیسی، نوری و انتقالی بگذارند.

 با جفت کردن تعدادی نقاط کوانتومی می‌توان به ساختار مولکول مصنوعی دست یافت، نکته حائز اهمیت در مورد مولکول‌های مصنوعی آن است که برای جفت کردن نقاط از گونه‌های متفاوت می‌توان ولتاژ ورودی و یا فواصل درون نقطه‌ای را تغییر داد. ویژگی تنظیم‌پذیری این امکان را فراهم کرده تا شاهد دسته‌ای از پدیده‌های متنوع باشیم.

 در اثر آراستن نقاط کوانتومی در یک شبکه متناوب و جفت شدن آنها به صورت پیوسته با یکدیگر، یک پیوند ساختاری حاصل می شود؛ این شبکه ساختاری نخستین بار توسط "ساکایی" با نام نقاط کوانتومی سوپر لتیک یا ابر شبکه‌ای (QDSL) معرفی شد. 

 

ساختار نقاط کوانتومی به طور معمول به شکل پوسته-هسته (Core-Shell) بوده و ابعادی در محدوده 1 تا 10 نانومتر دارند. معمولا هر دو قسمت بیرونی و درونی (پوسته و هسته) از عناصر نیمه‌رسانا می‌باشد. به‌طورکلی، هر چند که نقاط کوانتومی فلزی دارای خواص و کاربردهای منحصر به فردی هستند، اما نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا نیز دارای کاربردهای بسیار گسترده‌ای که در حوزه الکترونیک بوده و بسیار حائز اهمیت هستند. به همین منظور در ادامه به بررسی برخی ویژگی‌های فیزیکی مواد نیمه‌رسانا پرداخته و سپس به شرح آنها در نقاط کوانتومی می‌پردازیم. 

 

1-1- ویژگی‌های فیزیکی مواد نیمه‌رسانا

نیمه‌رساناها موادی با قابلیت رسانایی حد واسط مواد رسانا و عایق هستند. همان طور که می‌دانید، میان لایه ظرفیت و لایه رسانش یک باند ممنوعه وجود دارد که در واقع اختلاف انرژی میان دو باند یا لایه می‌باشد. در مواد نیمه رسانا، الکترون‌های موجود در لایه ظرفیت با جذب انرژی به لایه رسانش منتقل می‌شوند. جای خالی الکترون منتقل شده را به صورت نظری یک حفره با بار فرضی مثبت فرض کرده و به مجموعه این الکترون-حفره یک اکسایتون (Exciton) می‌گویند. از دیدگاه علمی این نوع اکسایتون را نوع "مات-وانی یر" می‌نامند. زوج الکترون-حفره ایجاد شده از طریق نیروی جاذبه الکتروستاتیک در کنار هم نگه داشته می‌شوند. 

 

1-2- ویژگی‌های فیزیکی نقاط کوانتومی نیمه‌رسانا

در نقاط کوانتومی که از مواد نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند؛ مفاهیم مرتبط با لایه ظرفیت، رسانش و باند ممنوعه همانند آنچه در بخش قبلی در مورد مواد نیمه رسانا گفته شد، صادق می‌باشد؛ اما در این میان یک تفاوت عمده وجود دارد و آن به این شرح است: در مواد توده انتقال الکترون به راحتی صورت می‌پذیرد چرا که فضای کافی برای حرکت الکترون وجود دارد؛ منتها در نقاط کوانتومی این انتقال الکترون در فاصله شعاعی بسیار کوچکی رخ می‌دهد که این فاصله‌ی کوچک را "شعاع بور" می‌نامند. نکته اساسی در این میان آن است که اگر ابعاد نقاط کوانتومی یا کریستال‌های کوانتومی تا اندازه شعاع بور کوچک باشد دیگر الکترون نمی‌تواند به راحتی در ماده جا به جا شود و قوانین جابه جایی و نقل و انتقال الکترون به کلی تغییر خواهد کرد. همین مساله باعث ایجاد خواص نوری منحصر به فردی از جمله تاثیر بر جذب و بازتابش نوری در کریستال‌های نیمه‌رسانا با ابعادی در محدوده شعاع بور می‌گردد. 

 

یکی دیگر از ویژگی ‌های فیزیکی نقاط کوانتومی آن است که تغییر در تعداد اتم‌ها سبب تغییر در باند ممنوعه میگردد و به عبارتی اختلاف انرژی میان لایه رسانش و ظرفیت را تغییر میدهد. علاوه بر تعداد اتم‌ها، نحوه چیدمان آنها در سطح نقاط کوانتومی نیز بر میزان این اختلاف انرژی تاثیر دارد. 

 

در نقاط کوانتومی الکترون برای آنکه بتواند از باند ممنوعه گذشته و به لایه رسانش برسد بایستی انرژی بیشتری نسبت به حالت توده دریافت کند به عبارت دیگر انرژی ممنوعه یا "گپ انرژی" نقاط کوانتومی بیشتر از ماده در حالت توده است. می‌دانیم که انرژی با طول موج رابطه عکس دارد و هرچه انرژی بیشتر باشد طول موج نیز کم‌تر خواهد بود؛ بنابراین در نقاط کوانتومی نسبت به مواد توده بایستی طول موج نور تابشی کوتاه‌تری مورد استفاه قرار بگیرد و یا به اصطلاح طیف نور تابشی به سمت رنگ آبی سوق داده شود. 

 

 

شکل1- هرچه اندازه نقطه کوانتومی کوچکتر باشد، نور بیشتری از خود ساطع می‌کند.

 

بنابر آنچه گفته شد بسته به ابعاد نقاط کوانتومی، گپ انرژی تغییر کرده فلذا کلوئیدهای حاصل از آنها با ساطع کردن طول موج‌های متفاوت، رنگ‌های متفاوتی نیز از خود نشان می‌دهند.


 

در جایی دیگر تعریف کوانتوم دات به صورت زیر ارائه شده است:

هنگامی که ابعاد یک ماده به صورت پیوسته از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک کاهش یابد، خواص ماده در ابتدا ثابت می‌ماند، اما به تدریج با نزدیک شدن این ابعاد به محدوده‌ی نانو (محدوده‌ی بین 1 تا 100 نانو متر) خواص ماده تغییرات چشم‌گیری می‌یابد. همان طور که می‌دانیم همه‌ی مواد پیرامون ما دارای سه بعد هستند.

اگر یک بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما دو بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختاری پدید می‌آید که آن را چاه کوانتومی می‌گوییم. هر گاه دو بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما یک بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختار حاصل را سیم کوانتومی می‌گوییم. و در نهایت، هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی می‌نامیم.

در واقع؛ نقاط کوانتومی کریستال‌هایی در حد نانو هستند که ویژگی اصلی آن انتشار نور است. البته باید توجه کنیم که فقط ورود یک یا دو یا سه بعد از ابعاد یک ماده به محدوده‌ی نانومتری، موجب نمی‌شود که ما آن ساختار را کوانتومی بنامیم؛ بلکه این ابعاد باید آن قدر کوچک شوند که خواص ماده از قوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشند و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجیه کند.

نقاط کوانتومی، نانو کریستال‌های نیمه هادی با قطر 2 تا 10 نانومتر هستند که بعد از تحریک شدن، از خود نور ساطع می‌کنند و به طور معمول از 200 تا 10000 اتم تشکیل شده‌اند. نقاط کوانتومى به دلیل اندازه کوچکشان قابلیت تطبیق پذیرى بسیاری دارند یعنى مى توان با تغییر ساختار آن ، خواص آن را مطابق با نیاز خود تنظیم کرد ‌. تفاوت اصلی آن با نیم رساناهای دیگر این است که خواص الکتریکی و پیک فرکانسی گسیلی نقاط کوانتومی شدیداً به اندازه و شکل و ساختار آنها بستگی دارد.

همچنین با یک عامل خارﺟﻲ مثل پتانسیل الکتریکی و ﺟریان فوتونی می توان رسانندگی آن را تغییر داد. اهمیت نیم رسانا بودن نقاط کوانتومی در این است که رسانایی الکتریکی این مواد را می‌توان با محرک‌های خارجی مانند میدان الکتریکی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی که از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یک کلید عمل کنند. این خاصیت، نیمه‌رساناها را به یکی از اجزای حیاتی انواع مدارهای الکتریکی و ابزارهای نوری تبدیل کرده است. ساختار کلی یک نقطه‌ی کوانتومی، شامل هسته، پوسته و پوشش دهنده (شکل 1) است.

هسته از اتم‌های گروه II-VI به عنوان مثال سلنید کادمیوم (CdSe) ، یا III-V مثل فسفید ایندیوم عناصر جدول تناوبی تشکیل شده است. یک پوسته از جنس نیمه‌ هادی دیگر، در اغلب موارد سولفید روی (ZnS) ، به منظور بهبود ویژگی‌های نوری و افزایش پایداری و کاهش سمیت سلولی، هسته را می‌پوشاند. در نهایت یک پوشش آلی برای آبدوست‌ کردن نانوذره به‌کار برده می‌شود که جایگاهی برای اتصال بیوملکول‌های مختلف از جمله، الیگونوکلئوتید‌ها، پروتئین‌ها، پپتیدها و مولکول‌های کوچک نیز به شمار می‌رود.