نقاط کوانتومي ــ يا نانوکريستال‌ها ــ در دستة نيمه‌رساناها جاي مي‌گيرند. نيمه‌رساناها اساس صنايع الکترونيک جديد هستند و در ابزارهايي مانند ديودهاي نوري و رايانه‌هاي خانگي به کار گرفته مي‌شوند. اهميت نيمه‌رساناها در اين است که رسانايي الکتريکي اين مواد را مي‌توان با محرک‌هاي خارجي مانند ميدان الکتريکي يا تابش نور تغيير داد، تا حدي که از نارسانا به رسانا تبديل شوند و مانند يک کليد عمل کنند. اين خاصيت، نيمه‌رساناها را به يکي از اجزاي حياتي انواع مدارهاي الکتريکي و ابزارهاي نوري تبديل کرده است.
نقاط کوانتومي، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در کاربردهاي علمي و فني به نقاط کوانتومي مي‌بخشد.

کارآيي نقاط کوانتومي به خاطر قابل تنظيم بودن طول موجي است که بيشترين شدت نور را تابش مي‌کند. وقتي نقاط کوانتومي را با محرک نور ماوراي بنفش وادار به تابش کنيم، اين طول موج، رنگ نقاط کوانتومي را مشخص مي‌کند (شکل). مقدار اين طول موج به جنس و اندازة نقاط کوانتومي بسيار حساس است و روش‌هاي جديد در فناوري نانو، به توليدکنندگان آنها توانايي زيادي در کنترل دقيق اين طول موج بخشيده است. اين خاصيت مهم نقاط کوانتومي، فقط با مکانيک کوانتومي قابل توصيف است که در ادامه به آن اشاره مي‌کنيم.

الکترون‌ها در مواد نيمه‌رسانا ــ در اندازه‌هاي بسيار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصي از انرژي را دارند. وقتي يک الکترون انرژي متفاوتي از الکترون ديگر دارد، گفته مي‌شود که در يک تراز انرژي متفاوت قرار دارد. خاصيت ذاتي الکترون‌ها باعث مي‌شود که بيش از دو الکترون نتوانند در يک تراز انرژي قرار بگيرند. در يک تودة بزرگ از مادة نيمه‌رسانا، ترازهاي انرژي بسيار نزديک هم هستند؛ آن‌قدر نزديک که به صورت يک بازة پيوسته توصيف مي ‌شوند، يعني تفاوت انرژي دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصيت ديگر موادّ نيمه‌رسانا اين است که درون بازة پيوستة انرژي‌هايش يک گپ (شکاف، فاصله) وجود دارد، يعني الکترون‌ها مجاز به داشتن انرژي در اين گپ نيستند. الکترون‌هايي که ترازهاي پايين گپ را اشغال مي‌کنند «الکترون‌هاي ظرفيت در باند ظرفيت» و الکترون‌هاي ترازهاي بالاي گپ «الکترون‌هاي رسانش در باند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار کمي از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشتر الکترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري که آنها را تقريباً پر مي‌کنند. همين پديده باعث مي‌شود که موادّ نيمه‌رسانا در حالت عادي (غير برانگيخته) نارساناي جريان الکتريکي باشند. اگر الکترون‌هاي بيشتري بخواهند در باند رسانش قرار گيرند، بايد انرژي کافي براي بالارفتن از گپ انرژي دريافت کنند. تحريک با نور، ميدان الکتريکي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الکترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي که خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يک حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود مي‌آيد.
تحريکي که باعث جهش الکترون 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 که تنها به ترکيب آن مواد بستگي دارد. الکترون‌هايي که به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، بعد از مدتي دوباره به نوار ظرفيت برمي‌گردند. در اين بازگشت، ابتدا الکترون‌ها جهش‌هاي بسيار کوچکي مي‌کنند و از طريق لرزش‌هاي گرمايي انرژي‌شان را به باقي تودة ماده منتقل مي‌نمايند که 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 که گپ انرژي نيمه‌رسانا کاملاً معين است، نور تنها در طول موج معيني تابش مي‌شود.

در نقاط کوانتومي امکان تغيير اندازة گپ انرژي وجود دارد. مي‌توان با اين امکان، طول موج نور تابش‌شده را تنظيم کرد. نقاط کوانتومي هم از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند. الکترون‌ها در نقاط کوانتومي بازه‌اي از انرژي‌ها را دارند. مفاهيم تراز انرژي، گپ انرژي، نوار رسانش و نوار ظرفيت هم هنوز معتبرند. با اين حال، يک تفاوت بارز وجود دارد: وقتي يک الکترون به نوار رسانش برانگيخته مي‌شود، بايد به طور حقيقي، مقداري هم در ماده جابه‌جا شود. اين فاصلة کوچک را به احترام نيلز بور، فيزيکدان دانمارکي، «شعاع بور» مي‌نامند. در تودة ماده اين جابه‌جايي بسيار کوچکتر از ابعاد جسم است، به طوري که الکترون به‌راحتي مي‌تواند در ماده به اندازة لازم جابه‌جا شود. اما اگر کريستال نيمه‌رسانا در حدّ شعاع بور کوچک باشد، ديگر قواعد تودة ماده بر آن حاکم نيست. در اين حالت، ديگر نمي‌توان انرژي‌هاي مجاز را پيوسته در نظر گرفت و بين هر دو تراز انرژي فاصله مي‌افتد. تحت اين شرايط، مادة نيمه‌رسانا ديگر خاصيت‌هاي حالت توده‌اي خود را از دست مي‌دهد. اين اختلاف تأثير زيادي روي شرايط جذب يا تابش نور در نيمه‌رسانا دارد.
از آنجا که ترازهاي انرژي در نقاط کوانتومي ديگر پيوسته نيستند، کاستن يا افزودن تعدادي اتم به نقطة کوانتومي، باعث تغيير در حاشية گپ انرژي مي‌شود. تغيير نحوة چيده شدن اتم‌ها در سطح نقطة کوانتومي هم باعث تغيير انرژي گپ مي‌شود، که باز هم به دليل اندازة بسيار کوچک اين نقاط است. اندازة گپ انرژي در نقطة کوانتومي هميشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. يعني الکترون‌ها براي جهش از روي گپ، بايد انرژي بيشتري آزاد کنند. بنابراين، نور تابش‌شده هم بايد طول موج کوتاه‌تري 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 کوانتومي مي‌گردد.

روش ساختن نقاط کوانتومي
براي ساختن نقاط کوانتومي مي‌توان هم از روش‌هاي بالا به پايين و هم از روش‌هاي پايين به بالا استفاده کرد. روش‌هاي پايين به بالا امکان توليد انبوه و ارزان نقاط کوانتومي را ايجاد کرده‌اند. مزيت استفاده از روش‌هاي بالا به پايين، در امکان کنترل بيشتر محل نقاط کوانتومي و جاسازي آنها درون مدارهاي الکترونيکي يا ابزارهاي آزمايش است.
يکي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز کولوئيدي است. در اين روش، نمک‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط کنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است که با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واکنش يا تثبيت‌کننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات کوانتومي، آنها را با يک لايه از سورفَکتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر کنترل شوند ذرات يکنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.

نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازک با استفاده از واکنش‌هاي الکتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط کوانتومي هستند.
در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط کوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليکون حک مي‌شوند. اين کار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امکان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط کوانتومي را کنترل کرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني مي‌توان نقاط کوانتومي را در محل مشخصي حک کرد و با طراحي مدارهاي مناسب اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

کاربردهايي براي نقاط کوانتومي
1. نشانگرهاي بيولوژيکي
امکان تابش در فرکانس‌هاي مطلوب، نقاط کوانتومي را ابزاري کارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط کوانتومي را به انتهاي بيومولکول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل کرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده کرد. تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط کوانتومي اين امکان را فراهم آورده است که همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به کار برد و از نحوه و ميزان برهمکنش آنها مطلع شد.
پيش از اين از مولکول‌هاي رنگي براي اين کار استفاده مي‌شد که تنوع کمتري از نقاط کوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌کارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند.

2. ديودهاي نوراني سفيد
قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط کوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد که آنها را به عنوان ديود نوراني به کار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازة بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با کارآيي بسيار بالا ايجاد کرد. همچنين با ترکيب نقاط کوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد کرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يک طريق برانگيخت.
مي‌دانيم که نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه کرد؛ مانند همان چيزي که در رنگين‌کمان مشاهده مي‌کنيم. معکوس اين حالت هم امکان‌پذير است، يعني مي‌توان با ترکيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد کرد که سفيد به نظر بيايد. با آنکه نقاط کوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌کنند، اما همة آنها را مي‌توان با يک پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريک کرد. درست مانند شکل (ارلن‌هاي رنگي) که همة محلول‌ها تحت تابش يک منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط کنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌کنند. چون طيف تابشي نقاط کوانتومي بسيار باريکتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، که در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.

3. اتم‌هاي مصنوعي
باردار کردن نقاط کوانتومي، به علت کوچکي، به سادگيِ باردار کردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه کردن هر الکترون به يک نقطة کوانتومي، بايد بر انرژي الکترواستاتيک بين الکترون‌هاي روي نقطة کوانتومي غلبه کرد. اين کار را با اِعمال ميدان الکتريکي انجام مي‌دهند. الکترون‌هايي که به نقاط کوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ کوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند که خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين کسي که اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.

4. عناصر مدارهاي نوري
يکي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست که در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط کوانتومي، مي‌تواند بر اين مشکل فائق آيد. نقاط کوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي کارآمدتر با اغتشاش کمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌کنند.

5. مولدهاي انرژي خورشيدي
در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يکي از منابع مهم توليد انرژي الکتريکي، تابش خورشيد است. مشکل اصليِ مولدهاي کنونيِ انرژي خورشيدي، هزينة بالا و کارآيي کمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند که با جذب نور خورشيد، الکترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌کنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محرکة الکتريکي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها که جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود. با طراحي نقاط کوانتومي که بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي مولدهاي انرژي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.

برگفته از مقالات باشگاه نانو

نظرات شما عزیزان:

میکروووووب باوفا

ساعت13:26---26 فروردين 1393

[وب سایت] - [ایمیل]

آفرین موژییییییییییییییییییییییییییی

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: