کوانتوم دات : طراحی و کاربردها

کوانتوم دات : طراحی و کاربردها

۱- مقدمه

کوانتون دات | 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 ۱ تا ۱۰۰ 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[۱].
نقاط کوانتومی، نانو کریستال‌های نیمه هادی با قطر ۲ تا ۱۰ نانومتر هستند که بعد از تحریک شدن، از خود نور ساطع می‌کنند و به طور معمول از ۲۰۰ تا ۱۰۰۰۰ 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 ۱) است[۱].

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[۲, ۳].

یک نقطه کوانتومی با ساختار هسته-پوسته
یک نقطه کوانتومی با ساختار هسته-پوسته

شکل ۱ : یک نقطه کوانتومی با ساختار هسته-پوسته

نقاط کوانتومى نیم رسانا هاى صفر بعدى هستند که منظور از بعد این است که درچند بعد از ماده ، حاملین بعنوان حامل آزاد رفتار مى کنند. براى مثال در سیم نانویى الکترون ها یا حفره ها فقط در یک ﺟهت بعنوان حامل آزاد عمل مى کنند . در یک نقطه حاملین در هیچ ﺟهتى به عنوان حامل آزاد رفتار نمى کنند. وقتى بعد کاهش مى یابد ﭼﮕالى حالت ها به طور محسوسى تغییر مى کند که در صفر بعد چگالى حالتهاى ماده بسیار شبیه به اتم است[۱].
با محدود شدن حامل در سه راستا ، ترازهاى انرژى گسسته و در هر سه راستا ﺟایگزیده مى شوند . طیف گسسته در نقاط کوانتومى از تفاوت هاى مهم این ساختارها با سیم کوانتومى و چاه کوانتومى است . از آﻧﺠا که این خصوصیات در سیستم هاى اتمى وﺟود دارند ، مى توان نقاط کوانتومى را اتم انفرادى نامید. نقاط کوانتومى شامل هسته داخلى نیستند بنابراین مى توانند تعداد زیادى از الکترون ها را در خود محدود کنند که اﻳن تعداد از صد تا هزاران الکترون در یک فضاى محدود شده کوﭼﮏ است [۱].
اندازه نقطه کوانتومى داراى محدودیت هایى است ، کمترین اندازه آن حدی است که یک تراز انرژى براى الکترون و حفره وﺟود داشته باشد که این وابسته به میزان اختلاف لبه باند رسانش (باند ظرفیت) نیم رساناهاى مورد استفاده ﺟهت تشکیل نقطه کوانتومى دارد . براى درک مفهوم نقطه کوانتومى ، اثرات محدودیت کوانتومى بر روى الکترون ها را در نظر مى ﮔیریم. محدودیت کوانتومى وقتی اتفاق مى افتد که یک یا ﭼند بعد نانو کریستال نزدیک شعاع بوهر اکسایتونى باشد. مفهوم ترازهاى انرژى ، گاف باندى ، باند رسانش ، باند والانس همچنان در نظر گرفته مى شود . با این حال ترازهاى انرژى الکترونى نمى توانند به صورت پیوسته رفتار کنند، بلکه باید به صورت گسسته عمل کنند[۱].
محدودیت هاى چاه کوانتومى یا سیم کوانتومى حداقل یک درﺟﻪ آزادى براى الکترون ها مى دهد. همچنان که این نوع محدودیت ﻣﻨﺟر به کوانتیزاسیون طیف الکترونى مى شود، چگالى حالت ها را نیز تغییر مى دهد. همچنین زیر باندهاى انرژى یک یا دو بعدى را ﻧﺘﻴﺠه مى دهد و حداقل یک ﺟهت براى انتشار الکترون باقی می ﮔذارد . بعبارت دیگر ، با تکنولوژى امروزه مى توانیم ساختارهاى نقاط کوانتومى اﻳﺠﺎد کنیم که در آن ها همه درﺟﺎت آزادى موﺟود براى انتشار الکترون کوانتیزه هستند. می توانیم این محدودیت را به عنوان ﺟﻌبه ای به ﺣﺠم d1d2d3 در نظر بگیریم و انرژی کوانتیزاسیون آن برابر است با:

E=Eq1+Eq2+Eq3

به طور ساده مى توان نقاط کوانتومى را سیم کوانتومى با سطح مقطع مستطیلى در نظر ﮔرفت ، که در هر سه راستا محدود شده اند که به آنها ﺟﻌبه کوانتومى هم مى ﮔویند . این محدودیت باعث مى شود تنها درﺟﻪ آزادى باقى مانده نیز از بین برود و ذره در تمام سه راستا ﺟﺎیگزیده شود، از این رو ترازهاى انرژى در هر سه راستا ﮔسسته خواهند شد.
ویژگی‌های نوری-فیزیکی منحصر به فرد این نقاط کوانتومی همراه با پیشرفت‌های قابل توجهی که در ساخت، پوشش‌دار کردن و اتصال انواع ملکول‌های زیستی، صورت گرفته است، محققان را بر آن داشته تا از این نانو ذرات به عنوان ردیاب‌های فلوئورسانسی موثر، در ردیابی سلول‌های موجودات زنده، تصویر‌برداری و تشخیص‌های پزشکی استفاده کنند[۴].

ردیابی سلول‌های موجودات زنده با کوانتوم دات ها
ردیابی سلول‌های موجودات زنده با کوانتوم دات ها

شکل ۲ : ردیابی سلول‌های موجودات زنده با کوانتوم دات ها

مطالعات درمورد ذرات کوانتومی درسال ۱۹۷۰ شروع شد و درسال ۱۹۸۰ این گروه از نانوذرات نیم رسانا توسط الکسی اکیمو به وسیله ماتریس و توسط لوئیس بروس درمحلول کلوئیدی ساخته شد، رید مارک اصطلاح “نقطه کوانتومی “را ابداع کرد. در واقع نقاط کوانتومی در سال ۱۹۸۱/۱۳۶۰ کشف شدند ولی تا سال ۲۰۰۲/۱۳۸۱ کاربردی نداشتند. این زمانی بود که شرکت نقاط کوانتومی هایوارد در کالیفرنیا (کیودی) شروع به فروش آنها به زیست شناسان سلولی کرد تا از آنها به عنوان برچسب‌های تصویربرداری فلئورسان برای پروتئین‌ها و مولکول‌های زیستی دیگر استفاده کنند[۱, ۵].
نقاط کوانتومی عملکرد بسیار جالبی دارد، به این صورت که قابلیت جذب هرتعداد الکترون وارده را دارا می باشند. بنابراین با وجود دارا بودن یک هسته اتمی خاص ، براساس الکترون های وارده به آن ها،خواص و رفتار متفاوتی از خود بروز می دهند. بعنوان مثال، نقاط کوانتومی درحالت داشتن یک الکترون خصوصیات هیدروژن را دارا هستند و با داشتن ۶ الکترون منجر به تولید کربن مصنوعی و با ۷۹ الکترون منجر به تولید طلای مصنوعی می شوند. ضمنا اتمهای مصنوعی بوجود آمده توسط این سیستم قابلیت پیوند بادیگر اتم ها را دارا هستند که این مسئله منجر به تولید مولکول های مصنوعی ودرنهایت موادمصنوعی خواهد گردید.
بر اساس نظریه‌ی باندی همه‌ی جامدات شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی، فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم.

نمایش گاف انرژی
نمایش گاف انرژی

شکل ۳ : نمایش گاف انرژی

هنگامی که پرتوی فرا بنفش به جسم جامد برخورد می‌کند، الکترون‌ها با جذب انرژی آن، از یک نوار انرژی به نوار انرژی بالاتر می‌روند. اندکی بعد، الکترون‌ها با از دست دادن انرژیِ جذب شده، به حالت پایدار خود بر می‌گردند و بدین ترتیب، انرژی جذب شده را به صورت پرتوهای نور مرئی (یا همان فوتون) ساطع می‌کنند. هر چه گاف انرژی بزرگ‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، بیش‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ آبی تمایل می‌یابند. در مقابل، هر چه گاف انرژی کوچک‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، کم‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ قرمز تمایل می‌یابند.
نقاط کوانتومی شامل موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، سلنید کادمیوم و فسفات ایندیوم هستند. رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آن‌ها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آن‌ها ساطع می‌شود. نکته‌ی مورد توجه این است که طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازه‌ی نقاط کوانتومی بستگی دارد.
هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است. یعنی در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، گاف انرژی کوچک‌تر است.
بنابراین، با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیش‌تر، و متمایل به رنگ آبی است. هم‌چنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است[۵].

نور در کوانتوم دات ها
نور در کوانتوم دات ها

شکل۴ : نور در کوانتوم دات ها : با بزرگ شدن ابعاد نقاط کوانتومی، طیف نور تابشی آن‌ها از رنگ آبی به سمت رنگ قرمز میل می‌کند.

نور در کوانتوم دات هاا
نور در کوانتوم دات هاا

شکل ۵ : نور در کوانتوم دات ها

۲ – بررسی خواص نقاط کوانتومی

۱- درنقاط کوانتومی الکترونها درست مثل وضعیت یک اتم ، موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می کنند ونقاط کوانتومی شباهت زیادی به اتم های واقعی دارند،به همین علت در مکانیک کوانتومی به آن ها لفظ”اتم های مصنوعی”می دهند.
۲- نقاط کوانتومی طیف نشری نوری گسسته ای راکه مربوط به ترازهای الکترونی گسسته(مانند اتم های واقعی)می شودرادارا هستند.
۳- نقاط کوانتومی نیمه رسانا زمانی که بااتم واقعی مقایسه می شوند،ویژگی مشخصی دارند،تعداد الکترون های آزاد رامی توان به کمک ابزارخارجی تغییرداد.این یک راه آسانتر برای دستیابی به اتم های مصنوعی با۳،۲،۱،یا تعداد بیشتری الکترون می باشد.بنابراین اضافه ویا کم کردن الکترون ها به ذرات کوانتومی طیف وسیعی ازموادمصنوعی رادراختیاربشرقرار خواهد داد.با این وجود نباید فراموش کرد که موادمصنوعی تولیدشده توسط این روش،خصوصیات مواد اصلی رابه تمامی دارا نخواهند بود.به نظر می رسد که سرانجام مواد ساخته شده، درواقع متشکل از نانوربات هایی خواهند بود که از لحاظ ظاهری وعملکرد،تحت فرمان انسان قرارخواهند گرفت.

رنگ در کوانتوم دات
رنگ در کوانتوم دات

۴- یکی از خاصیت های مهم نقاط کوانتومی نیمه رسانا منبع کلومبی می باشد .این بدین معناست که اگر سدهای تونل زنی یک نقطه به اندازه کافی بالا باشد ،به انرژی خارجی برای تزریق یک الکترون اضافه به داخل نقاط کوانتومی نیمه رسانا نیاز است.
۵- همه نیمه رسانا شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است درواقع بازه مشخصی از انرژی را دارا می باشد. وقتی یک الکترون انرژی متفاوتی از الکترون دیگر دارد، گفته می‌شود که در یک تراز انرژی متفاوت قرار دارد. خاصیت ذاتی الکترون‌ها باعث می‌شود که بیش از دو الکترون نتوانند در هر تراز انرژی قرار بگیرند. در یک توده بزرگ از ماده نیمه‌رساناحالت( bulk )، ترازهای انرژی بسیار نزدیک هم هستند؛ آن‌قدر نزدیک که به صورت یک بازه پیوسته توصیف می ‌شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حدّ صفر است. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای (شکاف ،گپ )وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیردوالکترون ها مجاز به داشتن انرژی در این فاصله نیستند، این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم. الکترون‌هایی که ترازهای پایین گپ را اشغال می‌کنند «الکترون‌های ظرفیت در باند ظرفیت» و الکترون‌های ترازهای بالای گپ «الکترون‌های رسانش در باند رسانش» نامیده می‌شوند.

در مواد نیمه‌رسانا به حالت توده‌ای ، درصد بسیار کمی از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار می‌گیرند و بیشتر الکترون‌ها در نوار ظرفیت قرار می‌گیرند، به طوری که آنها را تقریباً پر می‌کنند. همین پدیده باعث می‌شود که موادّ نیمه‌رسانا در حالت عادی (غیر برانگیخته) نارسانای جریان الکتریکی باشند. اگر الکترون‌های بیشتری بخواهند در باند رسانش قرار گیرند، باید انرژی کافی برای بالارفتن از گپ انرژی دریافت کنند. تحریک با نور، میدان الکتریکی یا گرما می‌تواند تعدادی از الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش بفرستد. در این حالت، تراز ظرفیتی که خالی می‌شود، «حفره» نام دارد، زیرا در طی این رویداد، یک حفره موقت در نوار ظرفیت به وجود می‌آید.[۵] تحریکی که باعث جهش الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش و ایجاد حفره می‌شود، باید انرژی‌ای بیش از پهنای گپ داشته باشد. انرژی پهنای گپ در نیمه‌رساناهای توده‌ای، مقدار ثابتی است که تنها به ترکیب آن مواد بستگی دارد. الکترون‌هایی که به نوار رسانش برانگیخته شده‌اند، بعد از مدتی دوباره با از دست دادن انرژیِ ، به نوار ظرفیت برمی‌گردند.و بدین ترتیب، انرژی را به صورت پرتوهای نور مرئی (یا همان فوتون) ساطع می‌کنند. هر چه گاف انرژی بزرگ‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، بیش‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ آبی تمایل می‌یابند. در مقابل، هر چه گاف انرژی کوچک‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، کم‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ قرمز تمایل می‌یابند. از آنجا که گاف انرژی نیمه‌رسانا کاملاً معین است، نور تنها در طول موج معینی تابش می‌شود.
در نقاط کوانتومی همان طور که در بالا گفتیم، انرژی‌های مجاز پیوسته نیستند و بین هر دو تراز انرژی فاصله می‌افتد. تحت این شرایط، ماده نیمه‌رسانا دیگر خاصیت‌های حالت توده‌ای خود را از دست می‌دهد. این اختلاف تأثیر زیادی روی شرایط جذب یا تابش نور در نیمه‌رسانا دارد.
از آنجا که ترازهای انرژی در نقاط کوانتومی دیگر پیوسته نیستند، کاستن یا افزودن تعدادی اتم به نقطه کوانتومی، باعث تغییر در حاشیه گاف انرژی می‌شود. تغییر نحوه چیده شدن اتم‌ها در سطح نقطه کوانتومی هم باعث تغییر انرژی گاف می‌شود، که باز هم به دلیل اندازه بسیار کوچک این نقاط است. اندازه گاف انرژی در نقطه کوانتومی همیشه بزرگتر از حالت توده ماده است. یعنی الکترون‌ها برای جهش از روی گاف، باید انرژی بیشتری آزاد کنند. بنابراین، نور تابش‌شده هم باید طول موج کوتاه‌تری داشته باشد، یا به اصطلاح، انتقال به آبی یافته باشد. این خاصیت باعث ایجاد قابلیت تنظیم طول موج تابشی، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه برای نقاط کوانتومی می‌گردد.
۶- رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آن‌ها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آن‌ها ساطع می‌شود. طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازه‌ی نقاط کوانتومی بستگی دارد.
هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است.. پس در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌ تر، گاف انرژی کوچک‌ تر است.
بنابراین، با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیش‌تر، و متمایل به رنگ آبی است. هم‌چنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است.
۷- یک نقطه کوانتومی دارای شکل های مکعبی ریز،استوانه ای کوتاه یا کره ای با ابعاد کوچک نانومتری می باشد وقتی ابعاد کوچک می شود ،ازجابه جایی الکترون ها جلوگیری می شود وآن ها محدودیت راتجربه خواهند کرد. نقاط کوانتومی محدودیت رادرهرسه بعد فضایی اش نشان می دهدوبنابراین درآن هیچ جابه جایی وجود ندارد.

۳- انواع مختلف نقاط کوانتومی

موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، فسفات ایندیوم، آرسنیک ایندیوم، تلورید کاد میوم، سلنید کادمیوم،سولفید کادمیوم هستند که این مواد بسته به اندازه وطول موج معینی از نور،پس از تحریک الکترونها با استفاده از یک منبع خارجی از خود نور ساطع می کنند.

کوانتوم دات سیلیکون
کوانتوم دات سیلیکون

شکل۶ : کوانتوم دات سیلیکون

کوانتوم دات گالیم آرسنید با۴۶۵ اتم
کوانتوم دات گالیم آرسنید با۴۶۵ اتم

شکل ۷ : کوانتوم دات گالیم آرسنید با۴۶۵ اتم

کوانتوم دات های سولفید سرب
کوانتوم دات های سولفید سرب

شکل ۸ : کوانتوم دات های سولفید سرب

کوانتوم دات PbSe
کوانتوم دات PbSe

شکل۹ : کوانتوم دات PbSe

برخی نقاط کوانتومی نیزبه صورت ساختارهای هسته- پوسته هستند؛ نظیر نقاط کوانتومی CdSe(سلنید کادمیوم) که در هسته قرار داشته وبه وسیله پوسته ای از جنس ZnS(سولفید روی) پوشیده می شود و توانایی نشر نور به رنگهای مختلف را دارد.ویا از فرمهای ویژه ای از سیلیکا به نام ormosil که هسته وپوسته به وسیله لایه ای پلیمری پوشیده می شوند.

AFMتصویر میکروسکوپ نیروی اتمی کوانتوم دات آرسنیک ایندیوم
AFMتصویر میکروسکوپ نیروی اتمی کوانتوم دات آرسنیک ایندیوم

شکل۱۰ : AFMتصویر میکروسکوپ نیروی اتمی کوانتوم دات آرسنیک ایندیوم

۴-  روشهای ساخت نقاط کوانتومی

برای ساختن نقاط کوانتومی میتوان هم از روشهای بالا به پایین و هم از روشهای پایین به بالا استفاده کرد. مزیت استفاده از روشهای پایین به بالا امکان تولید انبوه و ارزان نقاط کوانتومی را ایجاد می کند و مزیت استفاده از روشهای بالا به پایین امکان کنترل بیشتر محل این نانوذرات و جاسازی آنها درون مدارهای الکترونیکی یا ابزارهای آزمایش می باشد[۳, ۶] .
بطور کلی روشهای سنتز نقاط کوانتومی شامل :

۴-۱- سنتز کلوئیدی
در سنتز کلوئیدی نمکهای فلزی به صورت محلول تحت شرایط کنترل شده،به حالت بلوری در می آیند. سنتزنقاط کوانتومی کلوئیدی در سیستمی سه جزئی متشکل از پیش سازها،سورفکتانت آلی وحلال(سورفکتانتها موادی آلی هستند که یکسرقطبی( آب گریز) و یک سر غیر قطبی ( آب دوست) دارند. سر قطبی محلول در آب است،اما سر غیر قطبی در آب حل نمی شود و به همین علت این مواد همیشه به سطح آب می آیند و چون سطح آب محدود آست،این ملکولها یک لایه ی نازک بهم فشرده ومنظم را تشکیل می دهند.به این خاصیت”خود ساماندهی”می گویند.انواع مواد شوینده از این نوع اند در مواد شوینده سر غیر قطبی به چربیها وروغنها می چسبد و در نتیجه می توانیم آنها را با آب بشوییم)مهمترین مرحله در این روش جلوگیری از بزرگ شدن بیش از حد مطلوب این بلورهای نانومتری است که با تغییر دما یا افزودن مواد خاتمه‌دهنده واکنش یا تثبیت‌کننده‌ها صورت می‌گیرد. در این حالت، برای جلوگیری از به‌هم‌پیوستن ذرات کوانتومی، آنها را با یک لایه از سورفَکتنت‌ها می‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقیق‌تر کنترل شوند ذرات یکنواخت‌تری به وجود می‌آیند[۷].

سنتز کلوئیدی کوانتوم دات ها
سنتز کلوئیدی کوانتوم دات ها

شکل ۱۱: سنتز کلوئیدی کوانتوم دات ها

۴-۲-  فراوری

نقاط کوانتومی به صورت نقطه به نقطه روی سطوح سیلیکون حک می‌شوند. این کار با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی یا لیتوگرافی نوری (شکل ۱۲) یا لیتوگرافی قلم آغشته در ابعاد بسیار ریز امکان‌پذیر است. در این حالت، می‌توان به‌دقت محل قرارگیری نقاط کوانتومی را کنترل کرد و با طراحی مدارهای مناسب در اطراف آنها، بین یک یا چند نقطه کوانتومی با دنیای ماکروسکوپی ارتباط برقرار نمود.

۴-۳-  خود آرایی ویروسی

دراین روش ، ویروس هایی که به طریق ژنتیکی دستکاری می شوند می توانند سطوح نیمه هادی بخصوص نیمه هادی هایی نظیرZns راازطریق روش های انتخابگری شناسایی کنند واطراف این نیمه هادی آرایش یابند وبدین ترتیب نقاط کوانتومی ای که سنتز می شوند ،از نظر باکتری وفازهای نوترکیب بسیار متنوع هستند.

۱-۴-  خود آرایی الکترو شیمیایی
این روش براساس نشاندن لایه های نازک برروی سطوح نیمه هادی صورت می گیردویکی از روش های پایین به بالا برای ساختن نقاط کوانتومی است.

روش لیتوگرافی نوری برای ساخت نقاط کوانتومی
روش لیتوگرافی نوری برای ساخت نقاط کوانتومی

شکل ۱۲: روش لیتوگرافی نوری برای ساخت نقاط کوانتومی

۱-۵ کاربردهای نقاط کوانتومی
۱-۵-  کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی

انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیصهای پزشکی کاربردهای فراوان دارد. این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتی عمل می کنند. با این تفاوت که در برابر درخشان شدن،خاصیت وتوانایی خود را از دست نمی دهند و در برابر تعداد سیکلهای تحریک وانتشار نور مقاومت بیشتری از خود نشان می دهند.

در واقع نقاط کوانتومی با تحریک الکتریکی یا توسط گستره وسیعی از طول موجها در فرکانسهای کاملا مشخص به فلوئور سانس می پردازند، به این شکل که فرکانسی از نور را جذب کرده ودر فرکانس مشخص(که تابع اندازه آنهاست) به نشر نور می پردازند.این ذرات همچنین می توانند بر حسب ولتاژ اعمال شده، به انعکاس ،شکست یا جذب نور بپردازند. نقاط کوانتومی می توانند به گونه ای تنظیم شوند که در رنگ های مختلف با یک طول موج نور معین بدرخشند. به عبارتی می توانیم نقاط کوانتومی را بسته به فرکانس مورد نیاز نور انتخاب کنیم و باعث شویم تا یک گروه از نقاط کوانتومی مشابه گروه دیگری با یک طول موج بدرخشند. این امر به برچسبهای چندگانه امکان می دهد تا با استفاده از یک منبع نور وارد ردیابی شوند [۸].

کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی
کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی

امروزه در پزشکی از نقاط کوانتومی در تشخیص مرز واقعی بین سلولهای سالم وسلولهای تومور در مغز می پردازند. تیمی از محققان اعلام داشته اند که نقاط کوانتومی در هنگام تزریق به حیوانات مبتلا به تومور مغزی در محل تومور تجمع می کنند. این نقاط قابل رویت هستند و حتی زمانیکه تحت تابش قرار نمی گیرند نیز مرئی می باشند. زمانی که نور آبی یا نور ماورای بنفش به آنها تابانده می شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع می کنند. محقق این نور را با استفاده از دوربین های دیجیتالی ویژه ، وسایل اسپکتروسکوپی اپتیکی یا میکروسکوپ فلوئورسانس میدان تاریک دریافت می کنند و بدین ترتیب مکان دقیق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعیین می‌کنند[۹].

کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی
کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی

این نقاط دردرمان ناباروری بویژه در مردان نیزکاربرد دارند ،به این صورت که درمردان نابارور با استفاده از نانوربات های سیال و با کمک نقطه کوانتومی اسپرم را به درون تخمک منتقل کرده وباروری موفقی را با وجود تعداد کم اسپرم یا اسپرم های ناتوان ایجاد خواهدکرد.
نقاط کوانتومی برای کشف سلول های سرطانی در کل بدن ودرمان سرطان نیزکاربرد دارند، به این صورت که این نقاط را در کپسول های پلیمری قرار می دهند و با هدف رساندن آن به سلول سرطانی و رساندن دارو به منطقه هدف، برای درمان سلول مورد نظر کاربرد دارند و یکی از زمینه های بسیار جدید درتحقیقات ، چگونگی دریافت اطلاعات مورد نظر از مولکول ها و سلول ها به وسیله کوانتوم دات ها است.

کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی
کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی

استفاده‌ی روز افزون از نقاط کوانتومی در ردیابی سلول‌های موجودات زنده، نگرانی‌های بی‌شماری را مبنی بر سمی بودن این ذرات ایجاد کرده است به طوری‌که در حال حاضر این نگرانی‌ها یکی از موانع اصلی در استفاده از این مواد در مطالعات بالینی است. اما عوامل متعددی در مسمومیت سلولی ناشی از نقاط کوانتومی موثر است، از جمله، اندازه، بار الکتریکی، غلظت، عوامل پوشش‌دهنده و … که هر یک از آن‌ها بایستی جداگانه مورد بررسی قرار بگیرند. به عنوان مثال، بررسی‌ها نشان می‌دهد که نقاط کوانتومی با اندازه ی ۲/۲ نانومتری در مقایسه با نقاط کوانتومی ۲/۵ نانومتری مسمومیت جدی‌تری را به سلول‌ها وارد می‌کنند. که دلیل آن را می‌توان به نحوه‌ی پراکندگی نانوذرات دانست. نانو ذرات بزرگتر در داخل سیتوپلاسم تجمع می‌یابند در حالی که ذرات کوچکتر اغلب وارد فضای بین هسته‌ای می‌شوند و با برهم‌کنش با اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌های هسته‌ای می‌توانند انواع مختلفی از مسمومیت‌های ژنتیکی را موجب شوند.

کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی
کاربرد نقاط کوانتومی در پزشکی

امکان تابش در فرکانس‌های مطلوب، نقاط کوانتومی را ابزاری کارآمد برای نشانه‌گذاری و تصویربرداری از سلول‌های موجودات زنده ساخته است. می‌توان نقاط کوانتومی را به انتهای بیومولکول‌های بزرگ مانند پروتئین‌ها یا رشته‌های DNA متصل کرد و از آنها برای شناسایی و ردیابی بیماری‌های درون بدن موجودات زنده استفاده کرد.

تنوع طول موج‌های تابش نقاط کوانتومی این امکان را فراهم آورده است که همزمان چندین نشانگر را در اجزای سلول زنده به کار برد و از نحوه و میزان برهمکنش آنها مطلع شد. پیش از این از مولکول‌های رنگی برای این کار استفاده می‌شد که تنوع کمتری از نقاط کوانتومی از نظر رنگ‌ دارند و بیشتر باعث اختلال در فعالیت سلول‌های زنده می‌شوند و برای به‌کارگیری در درون بدن موجودات زنده مناسب نیستند. درواقع نشاندار کردن سلولها تکنیکی است که با استفاده از چندین رنگ جهت مشاهده ساختارهای سلولی نظیر پروتئینهای اسکلت سلولی ویا اندامک هاست .

۵-۲-  کامپیوتر های کوانتومی

از نقاط کوانتومی می‌توان برای نمایش یک بیت کوانتومی- یا کیوبیت- در یک کامپیوترکوانتومی استفاده کرد. درواقع کامپیوتر کوانتومی دستگاهی است که یک پدیده ی فیزیکی را بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی به صورت منحصر به فردی در می آورد تا به صورت اساسی یک حالت جدیداز پردازش اطلاعات را تشخیص دهد[۵].

کامپیوترکوانتومی
کامپیوترکوانتومی

۵-۳-  نقاط کوانتومی و ساخت آشکارسازهای مادون قرمز

با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی ، نور را دررنگها و طول موجهای مختلف، منتشرمی کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد ۳ نانومتر نور سبز منتشر می کند؛ درحالی که ذراتی به بزرگی ۵/۵ نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمی کند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی ، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کارمی روند. دراین عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمزو دیودهای انتشار دهنده ی نور می توان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العاده ای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنهاست. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع وخنک سازی الکترونیکی استفاده می شود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید دردماهای بسیار پائین، نزدیک به ۸۰ درجه کلوین کارکنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، درصورتی که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد[۵]

آشکارساز های مادون قرمز
آشکارساز های مادون قرمز

۵-۴-  دیود های نورانی سفید

قابلیت تنظیم اندازه گپ انرژی با نقاط کوانتومی، این قابلیت را در اختیار ما می‌گذارد که آنها را به عنوان دیود نورانی به کار بگیریم. به این ترتیب، می‌توان به بازه بیشتری از رنگ‌ها دست یافت و منابع نور با کارآیی بسیار بالا ایجاد کرد. همچنین با ترکیب نقاط کوانتومی با ابعاد مختلف، می‌توان منابع پربازده برای تولید نور سفید ایجاد کرد، زیرا همه آنها را می‌توان از یک طریق برانگیخت.
می‌دانیم که نور سفید را می‌توان به نورهایی با رنگ‌های مختلف تجزیه کرد؛ مانند همان چیزی که در رنگین‌کمان مشاهده می‌کنیم. معکوس این حالت هم امکان‌پذیر است، یعنی می‌توان با ترکیب سه پرتو نوری یا بیشتر، با طول موج‌های مختلف، نوری تولید کرد که سفید به نظر بیاید. با آنکه نقاط کوانتومی در ابعاد مختلف طول موج‌های مختلفی تابش می‌کنند، اما همه آنها را می‌توان با یک پرتو نور دارای طول موجی در محدوده ماورای بنفش تحریک کرد. درست مانند شکل (ارلن‌های رنگی) که همه محلول‌ها تحت تابش یک منبع قرار دارند.[۵]

حال اگر سه تا از این محلول‌ها، و حتی بیشتر، را مخلوط کنیم، با جذب نور ماورای بنفش، نور سفیدرنگی از خود ساطع می‌کنند. چون طیف تابشی نقاط کوانتومی بسیار باریکتر از لامپ‌های التهابی است، دیگر اتلاف انرژی به صورت نور مادون قرمز، که در روشنایی لامپ بی‌تأثیر است، وجود ندارد. در نتیجه، منبع نور سفید با بازدهی بسیار بیشتری خواهیم داشت.

دیود های نورانی سفید
دیود های نورانی سفید

۵-۵-  اتم‌های مصنوعی

باردار کردن نقاط کوانتومی، به علت کوچکی، به سادگیِ باردار کردن اجسام بزرگ نیست. برای اضافه کردن هر الکترون به یک نقطه کوانتومی، باید بر انرژی الکترواستاتیک بین الکترون‌های روی نقطه کوانتومی غلبه کرد. این کار را با اِعمال میدان الکتریکی انجام می‌دهند. الکترون‌هایی که به نقاط کوانتومی اضافه می‌شوند، در ترازهای گسسته انرژی قرار می‌گیرند. این ترازها شبیه ترازهای مختلف اتم‌های عناصرند. به همین علت، به این نقاطِ کوانتومی باردارشده «اتم‌های مصنوعی» می‌گویند که خواصی متفاوت از اتم‌های عناصر طبیعی دارند. این اتم‌ها، امروزه موضوع تحقیقات وسیعی هستند و تعدادی از آنها به نام اولین کسی که این آزمایش‌ها را رویشان انجام داده، نامگذاری شده است.

ساخت اتم‌های مصنوعی
ساخت اتم‌های مصنوعی

۵-۶- سلول های خورشیدی

در نبود سوخت‌های فسیلی، یکی از منابع مهم تولید انرژی الکتریکی، تابش خورشید است. به دلیل افزایش نیاز بشر به منابع انرژی پاک، صنعت تولید سلو لهای خورشیدی با سرعت بسیاری در حال گسترش است.مشکل اصلیِ سلول خورشیدی کنونی، هزینه بالا و کارآیی کمِ آنهاست. سلول‌های خورشیدی از موادّ نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند که با جذب نور خورشید، الکترون‌ها را به ترازهای باند رسانش هدایت می‌کنند و به نحوی باعث ایجاد نیروی محرکه الکتریکی می‌شوند. بازدهی سلول‌های خورشیدی توسط طیف جذبی آنها که جزو خواص ذاتی نیمه‌رساناهای توده‌ای است تعیین می‌شود.
سلو لهای خورشیدی سیلیکونی متعارف توانایی لازم برای تبدیل تمام انرژی فوتو نهای جذب شده به الکترو نها وحفر ه های آزاد و در نهایت تولید الکتریسیته را ندارند. از سوی دیگر، به علت قیمت بالای مواد خام نیمه هادی و نیز فرآیندهایی که برای تبدیل مواد خام به سلو لهای کاربردی نیاز است هزینه ی تولید این سلو لها بسیار بالا است. نقاط کوانتومی انقلابی را در تولید سلو لهای خورشیدی ارزا ن قیمت با بازد هی بالا آغاز کرده است. انواع مختلف نقاط کوانتومی که به منظور تطبیق یافتن و جذب نور طیف خورشید طراحی شده اند را می توان در یک سلول خورشیدی گردآوری نمود .نقاط کوانتومی باا ستفاده ا زا ندازه منحصربه فردشان از قابلیت های مهمی برای برقراری تعامل نوری بامنبع نور برخوردار هستند. در سیلیکو نها، یک فوتون نوری، یک الکترون از مدار اتم رها می سازد. دراواخر دهه ۹۰ میلادی آرتور نوزیک از محققان ارشد آزمایشگاه ملی منابع تجدیدپذیر انرژی در کلورادوی آمریکا بر این فرض بود که نقاط کوانتومی مواد خاص نیمه هاد یها هستند که می توانند به هنگام برخورد با فوتو نهای دارای سطح انرژی بالا دو یا تعداد بیشتری الکترون آزاد کنند. این فرآیند را در پایانه های فو ق بنفش و آبی طیف رنگی نیز مشاهده میکنیم.در واقع با طراحی نقاط کوانتومی که بیشتر همپوشانی را در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی سلول های خورشیدی را تا بیش از ۹۰ درصد افزایش داد.[۵]

سلول های خورشیدی ساخته شده با کوانتوم دات ها
سلول های خورشیدی ساخته شده با کوانتوم دات ها

۵-۷-  لیزرهای نقطه کوانتومی

واژه” لیزر ” اختصاری برای عبارتی است به معنای ” تقویت نور به وسیله ی گسیل برانگیخته نور”است . نورگسیل شده ازیک لیزرهم تکفام (تک طول موج )وهم همدوس (هم فاز ) می باشد .لیزرهای نقطه کوانتومی،یکی از انواع لیزرهای نیمه رسانا هستند. نقاط کوانتومی به علت محدودیت حامل های بار وطیف نوری نشری گسسته که مربوط به ترازهای الکترونی گسسته می باشد ، ساختار الکترونیکی شبیه به اتم واقعی از خود به نمایش می گذارند.
از مزایای این لیزر موارد زیر را می توان نام برد :
۱- بهبود پهنای باند مدولاسیون
۲- جریان آستانه پایین
۳- بهبود پارامتر پهنای خط
۴- حساسیت کم به دما
ناحیه فعال نقطه کوانتومی می تواند مهندسی شود تا یک طول موج خاص را منتشر سازد،این کار بوسیله سایز نقطه کوانتومی و میزان ترکیب در آن کنترل می شود.کارایی لیزرهای نقطه کوانتومی بسیار بیشترازلیزرهای معمولی است[۵].

لیزرهای نقطه کوانتومی
لیزرهای نقطه کوانتومی
لیزرهای نقطه کوانتومی
لیزرهای نقطه کوانتومی

۶-  کشف راز چشمک زدن نقاط کوانتومی

پژوهش انجام شده توسط دانشمندان «لوس آلاموسی» پیشرفت قابل توجهی در فهم پدیده چشمک زنی نقاط کوانتومی ایجاد می کند.
یافته های این دانشمندان توانایی زیست شناسان را برای ردگیری ذرات منفرد افزایش می دهد و متخصصان فناوری را به خلق دیودهای نور گسیل بدیع و منابع تک فوتونی قادر می کند و همچنین تلاش پژوهشگران انرژی را برای توسعه انواع جدیدی از پیل های خورشیدی پربهره تقویت می کند.
جالب تر از همه این است که پژوهشگران «لوس آلاموس» نشان داده اند که این چشمک زنی را می توان به طریق الکتروشیمیایی به کنترل درآورد و حتی آن را کاملا متوقف کرد. این گروه تحقیقاتی یک آزمایش جدید اسپکترو الکتروشیمیایی ابداع کرده است که به آنها اجازه شارژ و تخلیه قابل کنترل یک نقطه کوانتومی منفرد را در حین پایش رفتار چشمک زنی آن می دهد. این آزمایش ها در کشف دو مکانیسم متمایز چشمک زنی سهولت ایجاد کردند.
«ویکتور کلیموف»، دانشمند «لوس آلاموس» و یکی از این پژوهشگران گفت: کار ما یک گام مهم در ساخت نانوساختارهایی با خواص پایدار و عاری از چشمک زنی برای کاربردهایی مانند دیودهای نور گسیل و منابع تک فوتونی تا سلول های خورشیدی است.
مکانیسم اول شارژ و تخلیه الکتریکی تصادفی هسته نقطه کوانتومی است که با مفهوم متداول چشمک زنی نقطه کوانتومی سازگار است. در این مدل، یک حالت باردار به خاطر بازترکیب غیرتابشی اوژری (Auger) پربازده به صورت «تاریک» است[۵].
مکانیسم دوم بسیار غافلگیرکننده بود؛ چشمک زدن اکثر نقاط کوانتومی ناشی از پر و خالی شدن یک «دام»نقص سطحی موجود بر روی نقطه کوانتومی می باشد. هنگامی که این دام خالی باشد جلوی حرکت الکترون “داغی” که می توانست فوتون گسیل کند، را سد می کند و باعث ایجاد یک چشمک می شود. این دانشمندان امیدوارند که با بررسی بیشتر خواص فوتوفیزیکی نقاط کوانتومی بتوانند مدل نظری جامعی برای این پدیده ارائه دهند.
«هان هتون»، یکی از این پژوهشگران گفت: این روش اسپکترو الکتروشیمیایی نانوبلور منفرد جدید را می توان با مطالعه اثر شارژ در آرایه ی وسیعی از نانوساختارهای شامل نانولوله های کربنی و نانوسیم ها واقعا گسترش داد.
این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را تحت عنوان «دو نوع چشمک زنی لومینسانس آشکار شده به وسیله اسپکتروالکتروشیمیایی نقاط کوانتومی منفرد» در مجله ی «Nature» منتشر کرده اند.

کشف راز چشمک زدن نقاط کوانتومی
کشف راز چشمک زدن نقاط کوانتومی

  کوانتوم دات CdTe

یک مولکول نیمه رسانای کوانتوم دات (QDM [1]) ، یک نیمه رسانای نانو ساختار است که دارای حرکات الکترونی و حفره ها در سه بعد می باشد که در نتیجه آن در مقایسه با اتم ها ، آنها در طیف انرژی کوانتیده مجزا دارند به همان دلیل در دسته اتم های مصنوعی [۲] قرار می گیرند [۱۰].

نقاط کوانتومی ، موادی نانو ساختار هستند که بعنوان موادی با دیمانسیون صفر شناخته شده اند . نقاط کوانتومی گروه منحصر به فردی از نیم هادی ها هستند که به علت بسیار کوچک بودن آنها رفتار متفاوت با انعطاف پذیری بی سابقه و توانایی که قبلا در علوم و تکنولوژی دیده نشده بود را از خود نشان می دهند. این نیم هادی های نانو بلوری شامل عناصری از گروه هایIV – II ،V – III و IV-VI و شکل کروی با قطری حدود ۱-۱۲ نانو متر می باشند. این نانو ذرات متفاوت از جامدات حجیم رفتار می کنند که به علت اثرات محدودیت کوانتومی است. در مقایسه با سیم کوانتمی که در دو بعد و لایه‌های کوانتومی در یک بعد نانو هستند، نقاط کوانتومی نانو ساختارهای سه بعدی هستند. همچنین این ترکیبات به دلیل بازده کوانتومی بالا در مصارف نوری کاربرد زیادی دارند. نقاط کوانتومی نیم‌هادی ها، با تحریک الکتریکی یا توسط گستره وسیعی از طول موج‌ها، در فرکانس‌های کاملاً مشخصی به فلورسانس می‌پردازند، ‌بدین صورت که، فرکانسی از نور را جذب کرده و در فرکانسی مشخص که تابع اندازه آن-هاست، به نشر نور می‌پردازند.

حال در ادامه به برخی از ترکیبات مورد استفاده برای کوانتوم دات ها اشاره می کنیم :

در دهه ی ۱۹۶۰ ، CdTe به دلیل پتانسیل بالایی که در زمینه های سلول های خورشیدی ، مدولاتور های الکتریکی ، دتکتور تابش های هسته ای ، مواد نوری و …. داشت به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفت که حاصل این مطالعات در کتاب آقای زانیو[۳] آورده شده است [۱۱].

تحت شرایط معمولی CdTe ، در شبکه بلاند روی متبلور می شود [۱۱-۱۳] (شکل) ولی ساختار های هگزاگونالی هم در لایه های نازک آن مشاهده شده است [۱۴].

ساختار بلاند روی مربوط به CdTe
ساختار بلاند روی مربوط به CdTe

در شک، مراحل تشکیل core- Shell-shell از CdTe را که به روش ماکروویو تهیه شده است را مشاهده می نمایید :

کوانتوم دات های CdTe در بیولوژی [۲۰-۲۶] ، آنالیز های بیولوژیکی [۲۷] کاربردهای فراوانی دارد. در شکل های زیر نمونه کارهایی از تهیه کوانتوم دات هایی از CdTe برای کاربرد های بیولوژیکی را مشاهده می نمایید.

نمایش برخی از ترکیبات تیول دار برای پوشش دار کردن CdTe در سنتز های آبی
نمایش برخی از ترکیبات تیول دار برای پوشش دار کردن CdTe در سنتز های آبی
نمایش سنتز کلوییدی CdTe
نمایش سنتز کلوییدی CdTe

Huaiqing Huang و همکارانش در سال ۲۰۱۲ ، کوانتوم دات های core–shell–shellاز CdTe/CdS/ZnS توسط روش حمام هیدروترمال سنتز نمودند. [۲۸]

مراحل تشکیل core- Shell-shell از CdTe به روش ماکروویو
مراحل تشکیل core- Shell-shell از CdTe به روش ماکروویو

برای دریافت اطلاعات درباره انواع کوانتوم دات ها ، ویژگی ها می توانید به کتاب Handbook of nanophysics (Quantoom dots and nanoparticle) مراجعه نمایید[۲۹] .

[۱] Quantum Dot Molecule (QDM)

[۲]Artificialatoms

[۳] Zanio

دانلود با لینک مستقیم کتاب های در ارتباط با کوانتوم دات ها

برای دانلود بر روی تصاویر کلیک نمایید.

انتقال الکترون در کوانتوم دات
انتقال الکترون در کوانتوم دات
هندبوک کوانتوم دات
هندبوک کوانتوم دات

مراجع

[۱]     P. Harrison, QUANTUM WELLS, WIRES AND DOTS , Theoretical and Computational Physics of Semiconductor Nanostructures, 2 ed.: JOHN WILEY & SONS, LTD, 2013.

[۲]     X.-H. Geng, Y.-L. Feng, and Y.-Z. Lan, “A new helical coordination polymer constructed on flexible dicarboxylate ligandand Cd II center Structure and luminescence,” Inorganic Chemistry Communications vol. 12, pp. 447–۴۴۹, ۲۰۰۹٫

[۳]     D. Gerion, F. Pinaud, S. C. Williams, W. J. Parak, D. Zanchet, S. Weiss, et al., “Synthesis and properties of biocompatible water-soluble silica-coated CdSe/ZnS semiconductor quantum dots,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 105, pp. 8861-8871, 2001.

[۴]     A. S. Shamsabadi, B. S. Ghahfarokhi, K. Zamanifar, and N. Movahedinia, “Applying inherent capabilities of quantum-dot cellular automata to design: D flip-flop case study,” Journal of Systems Architecture, vol. 55, pp. 180-187, 2009.

[۵]     J. P. Bird, “ELECTRON TRANSPORT IN QUANTUM DOTS ” 2003.

[۶]      B. Dabbousi, J. Rodriguez-Viejo, F. V. Mikulec, J. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, et al., “(CdSe) ZnS core-shell quantum dots: synthesis and characterization of a size series of highly luminescent nanocrystallites,” The Journal of Physical Chemistry B, vol. 101, pp. 9463-9475, 1997.

[۷]     A. Guzelian, U. Banin, A. Kadavanich, X. Peng, and A. Alivisatos, “Colloidal chemical synthesis and characterization of InAs nanocrystal quantum dots,” Applied physics letters, vol. 69, pp. 1432-1434, 1996.

[۸]     B. Vijaya Shanti, T. Mrudula, and C. Naga Deepth, “Sree VenkateshwarluY (2011) Novel Applications of Nanotechnology in Life Sciences,” J Bioanal Biomed, vol. 1, p. 2.

[۹]     S. S. Suri, H. Fenniri, and B. Singh, “Nanotechnology-based drug delivery systems,” Journal of Occupational Medicine and Toxicology, vol. 2, p. 16, 2007.

[۱۰]    J. Wu and Z. M. Wang, “Quantum Dot Molecules,” Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology, vol. 14, 2014.

[۱۱]    K. Zanio, Cadmium Telluride. New York: Academic Press, 1978.

[۱۲]    O. Collabor ation: Authors and editors of the volumes III/17B-22 A-41B (1999) eds. Madelung, Rössler, U., Schulz, M., Springer Materials —The Landolt–Börnstein Database (http://www.springermaterials.com).

[۱۳]    B. Seg all, Lorenz, M. R., and Halsted, R. E. (1963). Electrical properties of n-type CdTe, Phys. Rev., 129, pp. 2471–۲۴۸۱٫

[۱۴]    S. Jimenez Sandoval, Meléndez Lira, M., and Hernández Calderón, I. (1992). Crystal structure and energy gap of CdTe thin films grown by radio frequency sputtering, J. Appl. Phys., 72, pp. 4197–۴۲۰۲٫

[۱۵]    V. Eech, et al. (1990). State filling, Coulomb, and trapping effects in the optical nonlinearity of CdTe quantum dots in glass, Phys. Rev. B, 42, pp. 7450–۷۴۵۳٫

[۱۶]    M. I. V asilevskiy, Akinkina, E. I., de Paula, A. M., and Anda, E. V. (1998). Effect of size dispersion on the optical absorption of an ensemble of semiconductor quantum dots, Semiconductors, 32, pp. 1229–۱۲۳۳٫

[۱۷]    C. B. Murr ay, Norris, D. J., and Bawendi, M. G. (1993). Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites, J. Am. Chem. Soc., 115, pp. 8706–۸۷۱۵٫

[۱۸]    T. R ajh, Micic, O. I., and Nozik, A. J. (1999). Synthesis and characterization of surface-modified colloidal CdTe quantum dots, J. Phys. Chem., 97, pp. 11999–۱۲۰۰۳٫

[۱۹]    N. Gaponik, and Rogach, A. L. (2008). Semiconductor Nanocrystal Quantum Dots, ed. Rogach A. L., Chapter 3, “Aqueous synthesis of semiconductor nanocrystals” (Springer-Verlag, Wien), pp. 73–۹۹٫

[۲۰]    A. P. S. c. Alivisatos, nanocrystals, and quantum dots, Science, 271, pp. 933–۹۳۷٫

[۲۱]    M. Nirmal, and Brus, L. (1999). Luminescence photophysics in semiconductor nanocrystals, Acc. Chem. Res., 32, pp. 407-414.

[۲۲]    I. Nabie v, Sukhanova, A., Artemyev, M., and Oleinikov, V. (2008).Colloidal Nanoparticles in Biotechnology, ed. Elissari, A., Chapter 6 “Fluorescent Colloidal Particles as Detection Tools in Biotechnology Systems”, (John Wiley, New York) pp. 133–۱۶۸٫

[۲۳]    A. Sukhano va, and Nabiev, I. (2008). Fluorescent nanocrystal quantum dots as medical diagnostic tools, Expert Opin. Med. Diagn., 2, pp. 429–۴۴۷٫

[۲۴]    W. C. W. Chan, Maxwell, D. J., Gao, X., Bailey, R. E., Han, M., and Nie,S. (2002). Luminescent quantum dots for multiplexed biological detection and imaging, Curr. Opin. Biotechnol., 13, pp. 40–۴۶٫

[۲۵]    A. Sukhanova, Devy, J., Venteo, L., Kaplan, H., Artemyev, M., Oleinikov, V.,Klinov, D., Pluot, M., Cohen, J. H. M., and Nabiev, I. (2004). Biocompatible fluorescent nanocrystals for immunolabeling of membrane proteins and cells, Anal. Biochem., 324, p. 60–۶۷٫

[۲۶]    M. Dahan, Lévi, S., Luccardini, C., Rostaing, P., Riveau, B., and Triller,A. (2003). Diffusion dynamics of glycine receptors revealed by singlequantum dot tracking,Science,302,pp. 442–۴۴۵٫

[۲۷]    I. L. Medintz, Clapp, A. R., Brunel, F. M., Tiefenbrunn, T., Tetsuo Uyeda, H., Chang, E. L., Deschamps, J. R., Dawson, P. E., and Mattoussi, H. (2006). Proteolytic activity monitored by fluorescence resonance energy transfer through quantum-dot-peptide onjugates, Nat. Mater., 5, pp. 581-589.

[۲۸]    H. Huang, J. Liu, B. Han, C. Mi, and S. Xu, “Cell labeling and cytotoxicity of aqueously synthesized CdTe/CdS/ZnS core–shell–shell quantum dots by a water bath-hydrothermal method,” Journal of Luminescence vol. 132, pp. 1003-1009, 2012.

[۲۹]    K. D. Sattler, Handbook of nanophysics (Quantoom dots and nanoparticle), 2011.

درحال ارسال
امتیاز دهی کاربران
0 (0 رای)
question