نقاط کوانتومی ۱

۱-مقدمه

نقاط کوانتومی^[۱] دسته‌ای از نانومواد صفر بعدی هستند که به علت خواص منحصربه فردشان بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این نانومواد به علت ابعاد بسیار کوچکشان نوارهای انرژی تبدیل به ترازهای انرژی می‌شوند و پدیده‌هایی که اتفاق می‌افتد بنابر فیزیک کوانتوم توجیه می‌شوند. از مورد توجه‌ترین خواص نقاط کوانتومی خواص نوری آنهاست که از آنها گزینه مناسبی برای کاربردهایی مثل تشخیص تومورها و سلول‌های سرطانی، استفاده در نمایشگرها و سلول‌های خورشیدی ساخته است. در ادامه به بررسی نقاط کوانتومی و ویژگی‌های آنها می‌پردازیم.

۲- به چه موادی نقاط کوانتومی گفته می‌شود؟

به نانومواد صفر بعدی که به قدری کوچک شده باشند تا گسستگی ترازهای انرژی (تبدیل نوار انرژی به تراز انرژی) در آنها اتفاق افتاده باشد، نقطه کوانتومی گفته می‌شود. برای تعریف دقیق‌تر باید به نوع ماده توجه کرد. در نیمه‌هادی‌ها در صورتیکه ابعاد نانوذره کمتر از شعاع بوهر اکسایتون شود، این اتفاق می‌افتد و یک نقطه کوانتومی ایجاد می‌شود و نوار انرژی ماده تبدیل به تراز انرژی می‌شود. این ابعاد با توجه به نوع ماده فرق می‌کند ولی عموما در حدود ۱۰ نانومتر است. منظور از شعاع بوهر اکسایتون نیز فاصله تعادلی بین الکترون و حفره‌ای است که در اثر برانگیختگی در نانوذره نیمه‌هادی ایجاد شده است. به علت بار مختلف بین الکترون و حفره، جاذبه‌ای بین آنها برقرار است و در نتیجه آن یک فاصله تعادلی بین آنها وجود دارد که به آن شعاع بوهر اکسایتون گفته می‌شود. در واقع در صورتیکه اندازه نانوذره کمتر از این فاصله تعادلی که شعاع بوهر اکسایتون ( عموما حدود ۱۰ نانومتر) نام دارد شود، یک نقطه کوانتومی با ترازهای انرژی گسسته حاصل می‌شود.

اما نانوذرات فلزی نیز می‌توانند تبدیل به یک نقطه کوانتومی شوند. اما در آنها تعریف متفاوت است و به طول‌موج الکترون فرمی توجه می‌شود. در نانوذرات فلزی در صورتیکه اندازه نانوذره کمتر از طول‌موج الکترون فرمی باشد، نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی شده و یک نقطه کوانتومی حاصل می‌شود. منظور از طول‌موج الکترون فرمی، طول‌موج پرانرژی‌ترین الکترون موجود در دریای الکترون‌های آزاد نانوذره فلزی است و در واقع در صورتیکه اندازه نانوذره به قدری کاهش یابد که آن الکترون نیز محدود شود، گسستگی ترازهای انرژی رخ می‌دهد. قابل ذکر است که طول‌موج الکترون فرمی بسیار کوچک است و به نوع نانوذره فلزی بستگی دارد (عموما در حدود ۱ نانومتر است). باتوجه به بسیار کوچک بودن این اندازه، تبدیل نانوذرات فلزی به نقطه کوانتومی دشوار است و کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. به همین دلیل معمولا وقتی صحبت از نقطه کوانتومی می‌شود منظور نانوذرات نیمه‌رسانایی است که به قدری کوچک بوده‌اند تا یک نقطه کوانتومی‌شوند.

۳- خواص نوری نقاط کوانتومی

مهم‌ترین خاصیتی که در نقاط کوانتومی به آن توجه می‌شود خواص نوری آنهاست. در نقاط کوانتومی به دلیل تبدیل نوارهای انرژی به ترازهای انرژی، می‌توان با کنترل اندازه آنها با دقت بالا گاف انرژی آنها را کنترل نمود. در اثر کنترل گاف انرژی نیز می‌توان طیف نشری آنها را مشخص کرد. علاوه بر این قابلیت، باتوجه به وجود ترازهای انرژی در این حالت به جای نوارهای انرژی (که در واقع ترازهای انرژی بسیار نزدیک به هم هستند) با کنترل بیشتری می‌توان طیف‌هایی با یک محدوده نشری باریک تهیه کرد. در واقع در این حالت به خاطر فاصله بیشتر بین ترازهای انرژی، احتمال بازگشت الکترون به ترازهای پایه مختلف کمتر است و می‌توان طیف‌هایی با طول‌موج بسیار باریک‌تری را تهیه کرد.

در شکل ۱ طیف نشری از نقاط کوانتومی و ارتباط آن به کنترل گاف انرژی نمایش داده شده است.

شکل۱- ارتباط بین اندازه نقاط کوانتومی با گاف انرژی آنها و طول‌موج تابشی از آنها

مطابق شکل۱ مشاهده می‌شود که با کوچکتر شدن قطر نقاط کوانتومی گاف انرژی در آنها افزایش می‌یابد. دلیل این امر این است که در واقع با کوچکتر شدن قطر نقطه کوانتومی، تعداد اتم‌های تشکیل‌دهنده آن کاهش می‌یابد و درنتیجه ترازهای مربوط به آن اتم‌ها نیز کم می‌شود. کم شدن ترازهای انرژی نیز به افزایش گاف انرژی در نقاط کوانتومی می‌انجامد.

با افزایش گاف انرژی پرتو ساطع شده از نقاط کوانتومی به سمت پرتوهایی با طول‌موج کمتر متمایل می‌شود. دلیل این امر این است که در صورت برانگیختگی الکترون در نقاط کوانتومی با گاف انرژی بزرگتر، در هنگام برگشت الکترون برانگیخته به حالت پایه، پرتویی با انرژی برابر با انرژی گاف انرژی ساطع می‌کند که در این حالت انرژی پرتو بالاتر خواهد بود که به معنی کاهش طول‌موج پرتو ساطع شده خواهد بود. در نتیجه این امر است که با کاهش اندازه نقاط کوانتومی پرتو ساطع شده از آنها از رنگ‌های قرمز به سمت رنگ‌های آبی جابه‌جا می‌شود که این امر در شکل۱ نمایش داده شده است. همچنین تبدیل نوارهای انرژی به ترازهای انرژی با تبدیل یک ماده بالک به یک نقطه کوانتومی نیز قابل مشاهده است. همچنین در شکل۲ ارتباط گاف انرژی به جنس و همینطور اندازه نشان داده شده است.

شکل۲- ارتباط گاف انرژی به جنس و همینطور اندازه نیمه‌هادی‌ها[۲]

در شکل۳ و ۴ رنگ‌های متفاوتی که از یک کوانتوم‌دات قابل مشاهده است نمایش داده شده است. در تمام نمونه‌ها جنس نقطه کوانتومی یکسان است و صرفا اندازه آنها با یکدیگر متفاوت است. مطابق شکل۳ هرچه از سمت راست (نقاط کوانتومی با رنگ قرمز) به سمت چپ برویم (نقاط کوانتومی با رنگ آبی) نشان از کاهش اندازه نقاط کوانتومی دارد. قابل ذکر است که تمامی این تابش‌ها در زیر نور فرابنفش انجام گرفته است[۲,۱].

شکل۳- بازه رنگ‌های قابل مشاهده از یک نقطه کوانتومی با تغییر اندازه آن

شکل۴- رنگ‌های مشاهده شده از نقاط کوانتومیCdSe با اندازه‌های مختلف (به تفاوت کم بین اندازه‌ها دقت شود)[۲]

۴- ساختارهای هسته-پوسته^[۲] در نقاط کوانتومی

اکثر نقاط کوانتومی مورد استفاده به صورت ساختار‌های هسته-پوسته استفاده می‌شوند (شکل۵). این امر چندین دلیل دارد. یکی از آنها این است که در صورتیکه بر روی نقطه کوانتومی پوسته‌ای به عنوان لایه محافظ حضور نداشته باشد، به مرور در محیط دچار نقص می‌شود و بازدهی تابش نور در آن کاهش می‌یابد. یکی از دلایلی که در نقاط کوانتومی پدیده چشمک زدن رخ می‌دهد این عامل است. در اثر پدیده چشمک زدن، تابش نور به صورت پیوسته انجام نمی‌شود و نقطه کوانتومی متناوبا خاموش و روشن می‌شود. همچنین عامل مهم دیگری که باعث استفاده از ساختارهای هسته-پوسته در نقاط کوانتومی می‌شود، افزایش بازده نوری در اثر کنترل بازترکیب الکترون‌ها و حفرات تولیدی است. در واقع در این حالت باتوجه به ساختار ترازهای انرژی هسته و پوسته، طراحی به نحوی صورت می‌گیرد که بتوان مشخص کرد هریک از الکترون‌ها و حفرات درون هسته قرار بگیرند و یا درون پوسته و باتوجه به آن تعیین شود که بازترکیب الکترون و حفره به چه صورت و با چه بازدهی رخ دهد.

شکل۵- تصویر الکترون عبوری از ساختار هسته-پوسته با هسته نقطه کوانتومیگالیم آرسناید و پوسته سیلیکایی

باتوجه به تمایل به انجام یا عدم انجام بازترکیب می‌توان ساختارهای هسته-پوسته متنوعی ساخت. در شکل۶ ساختار هسته پوسته نوع۱ و ۲ نمایش داده شده است.

شکل۶- ساختار هسته-پوسته نقاط کوانتومی با نوع ۱ و ۲ و نحوه جایگیری الکترون و حفره در آنها[۳]

مطابق شکل۶ مشاهده می‌شود که در صورتیکه از پوسته‌ای استفاده نشود الکترون و حفره درون هسته (نقطه کوانتومی) قرار می‌گیرند، منتها قابل ذکر است که در این حالت امکان ایجاد نقص و همین‌طور خروج الکترون یا حفره از نقطه کوانتومی و ورود به محیط و کاهش بازده نوری وجود دارد. در هسته-پوسته نوع۱، از پوسته‌ای استفاده می‌شود که نسبت به هسته لبه تراز رسانش بالاتر و لبه تراز ظرفیت پایین‌تری دارد. در نتیجه این امر الکترون و حفره تمایل دارند که درون هسته باقی بمانند. در این حالت به دلیل اینکه الکترون و حفره درون هسته باقی می‌مانند نرخ بازترکیب بسیار بالاست و برای کاربردهای نوری مطلوب است. برای مثال این حالت برای استفاده از نقاط کوانتومی هسته-پوسته در لامپ‌های LED ایده‌آل است.

در نقطه کوانتومی نوع۲ همانطور که مشاهده می‌شود لبه تراز رسانش و ظرفیت پوسته ازلبه تراز رسانش و ظرفیت هسته پایین‌تر است. در نتیجه این امر، حفرات تمایل دارند تا در درون هسته باقی بمانند و الکترون‌ها تمایل دارند تا در درون پوسته قرار گیرند. در نتیجه در این حالت با جدا کردن الکترون‌ها و حفرات از یکدیگر نرخ بازترکیب کاهش می‌یابد. این حالت در کاربردهای نوری مدنظر نیست منتها مثلا برای کاربردهای فتوکاتالیستی که نیاز به پایداری الکترون‌ها و حفرات است بسیار مطلوب است.

به عنوان مثال از ساختارهسته-پوسته نوع۱ می‌توان به نقاط کوانتومی با هسته CdSe با پوسته ZnS و به عنوان ساختارهسته-پوسته نوع۲ می‌توان به نقاط کوانتومی با هسته CdTe با پوسته CdSe اشاره کرد.

همچنین علاوه بر دو نوع مذکور انواع دیگری از ساختارهای هسته-پوسته نقاط کوانتومی مثل ساختار نوع۱ معکوس، ساختار نوع۲ معکوس و ساختار شبه نوع۲ نیز وجود دارند که هرکدام کاربرد مخصوص به خود را دارد (باتوجه به احتمالات مختلف قرارگیری لبه‌های ترازهای ظرفیت و رسانش هسته و پوسته نسبت به یکدیگر) که در اینجا مورد بحث قرار نمی‌گیرد.

در مورد جنس پوسته در ساختارهای هسته-پوسته نقاط کوانتومی نیز باید گفت که جنس آن باتوجه به خاصیت موردنظر و کاربرد آن انتخاب می‌شود. به صورت عمومی جنس پوسته یا از نقاط کوانتومی است و یا از اکسیدهای نیمه‌هادی مثل سیلیکاها. هرکدام از این موارد باتوجه به کاربرد موردنظر انتخاب و طراحی می‌شوند[۳].

۵- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

همانطور که بیان شد برای تبدیل نانوذرات نیمه‌رسانا به نقاط کوانتومی نیاز به کوچکتر شدن قطر نانوذرات از شعاع بوهر اکسایتون و برای نانوذرات فلزی نیاز به کوچکتر شدن قطر نانوذرات از طول‌موج الکترون فرمی است. در این حالت نوارهای انرژی تبدیل به تراز انرژی شده و اثرات حدی نمایان می‌شوند. با استفاده از نقاط کوانتومی می‌توان نورهای مختلفی باتوجه به کنترل اندازه نانوذرات به دست آورد. بدین منظور بهتر است از ساختارهای هسته-پوسته استفاده شود تا بازده نوری افزایش یابد و پایداری آنها نیز بهبود یابد. ساختارهای هسته-پوسته نقاط کوانتومی انواع مختلفی دارند که باتوجه به کاربرد یکی از آن انواع انتخاب می‌شود. عامل تعیین‌کننده در نوع آنها محل قرارگیری لبه‌های ترازهای ظرفیت و رسانش است که به نوع و اندازه نقاط کوانتومی بستگی دارد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۶- مراجع

[1]. Bera, Debasis, et al. "Quantum dots and their multimodal applications: a review." Materials 3.4 (2010): 2260-2345.

[2]. Jacak, Lucjan, Pawel Hawrylak, and ArkadiuszWójs. Quantum dots. Springer Science & Business Media, 2013.

[3]. Kim, Sungjee, et al. "Type-II quantum dots: CdTe/CdSe (core/shell) and CdSe/ZnTe (core/shell) heterostructures." Journal of the American Chemical Society 125.38 (2003): 11466-11467.

۷- پاورقی

[1]Quantum Dots

[2]Core-Shell