EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
0980
filereader.php?p1=main_a7f74322de86ec382

موضوع: نانومواد و نانوساختارها

فصل: نقاط کؤانتومی


بخش اول: تعاریف و مبانی
بخش دوم: خواص نقاط کؤانتومی
بخش سوم: عوامل مؤثر در ایجاد ویژگی‌های منحصر به فرد ساختارهای کوانتومی
بخش چهارم: روش‌های ساخت نقاط کوانتومی
بخش پنجم: کاربردهای نقاط کوانتومی


بخش‌ اول: تعاریف و مبانی


نویسندگان: مبینا کلهریان، الهام بدرآبادی



بیندیشیم:
امروزه سرعت رشد و توسعه صنایع الکترونیکی و انتقال اطلاعات به قدری است که ابزارهایی در ابعاد و قابلیت‌های کنونی پاسخگوی نیاز این پیشرفت روز افزون نیست. حالتی را تصور کنید که به جای استفاده از قطعات در ابعاد ماکرومقیاس به عنوان عناصر مدارهای الکتریکی از دسته‌های اتمی با ابعاد نانومتری و توانایی رسانایی بسیار بیشتر استفاده شود. حسگرهایی را تصور کنید که تنها در مقیاس چند اتم بوده و توانایی به دست آوردن اطلاعات بسیاری از بدن موجودات زنده را خواهد داشت. همه‌ی این ویژگی‌ها و گستره‌ای از ویژگی‌ها و قابلیت‌های دیگر در

1-نقطه کوانتومی چیست؟

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.

filereader.php?p1=main_c82561ec215a6e318

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.








filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • 1- کتاب مقدمه‌ای بر نانومواد، تالیف چارلز پی پول، ترجمه نیما تقوی نیا
2- Zhen.Guo, Li.Tan, Fundamentals and application of Nano materials
3- A.K.Bandyopadhyay, Nano materials
4- Edited by Yory.Gogotsi, Nano materials Handbook
5- Klaus.D.Sattler, Hand book of NanoPhysics: Nano particles & Quantom Dots
6- wikipedia.org