برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۰,۰۳۰
  • بازدید این ماه ۴۱۴
  • بازدید امروز ۱۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۴۰
  • قبول شدگان ۱۱۲
  • شرکت کنندگان یکتا ۷۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۴
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

امتیاز کاربران

آشنایی با نقاط کوانتومی

هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی می‌نامیم. 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. در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، گاف انرژی کوچک‌تر است. 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.
1- مقدمه 
نقاط کوانتومی ــ یا نانوکریستال‌ها ــ در دسته نیمه‌رساناها جای می‌گیرند. نیمه‌رساناها اساس صنایع الکترونیک جدید هستند و در ابزارهایی مانند دیودهای نوری و رایانه‌های خانگی به کار گرفته می‌شوند. اهمیت نیمه‌رساناها 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.
نقاط کوانتومی، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردی از نیمه‌رساناها به شمار می‌روند. پهنای آنها، بین 2 تا 10 نانومتر، یعنی معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در این ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای در کاربردهای علمی و فنی به نقاط کوانتومی می‌بخشد.

filereader.php?p1=main_b2753ac117117258c

filereader.php?p1=main_c8a5ad60ed2d861ec
شکل 1. نقاط کوانتومی مواد مختلف رنگ‌های متفاوتی دارند.

کارآیی نقاط کوانتومی به خاطر قابل تنظیم بودن طول موجی است که بیشترین شدت نور را تابش می‌کند. وقتی نقاط کوانتومی را با محرک نور ماورای بنفش وادار به تابش کنیم، این طول موج، رنگ نقاط کوانتومی را مشخص می‌کند. مقدار این طول موج به جنس و اندازة نقاط کوانتومی بسیار حساس است و روش‌های جدید در فناوری نانو، به تولیدکنندگان آنها توانایی زیادی در کنترل دقیق این طول موج بخشیده است. این خاصیت مهم نقاط کوانتومی، فقط با مکانیک کوانتومی قابل توصیف است که در ادامه به آن اشاره می‌کنیم.
الکترون‌ها در مواد نیمه‌رسانا ــ در اندازه‌های بسیار بزرگ‌تر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصی از انرژی را دارند. 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 یک تراز انرژی قرار بگیرند. در یک تودة بزرگ از مادة نیمه‌رسانا، ترازهای انرژی بسیار نزدیک هم هستند؛ آن‌قدر نزدیک که به صورت یک بازة پیوسته توصیف می ‌شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حد صفر است.
خاصیت دیگر مواد نیمه‌رسانا این است که درون بازه پیوسته انرژی‌هایش یک گپ (شکاف، فاصله) وجود دارد، یعنی الکترون‌ها مجاز به داشتن انرژی در این گپ نیستند. 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 مواد 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 حفرة موقت در نوار ظرفیت به وجود می‌آید.
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 به نوار ظرفیت برمی‌گردند. در این بازگشت، ابتدا الکترون‌ها جهش‌های بسیار کوچکی می‌کنند و از طریق لرزش‌های گرمایی انرژی‌شان را به باقی تودة ماده منتقل می‌نمایند که در نتیجه انرژی به پایین‌ترین تراز سطح در نوار رسانش می‌رسد و سپس با تابش انرژی به صورت نور، به نوار ظرفیت منتقل می‌شوند. از آنجا که گپ انرژی نیمه‌رسانا کاملاً معین است، نور تنها در طول موج معینی تابش می‌شود.

filereader.php?p1=main_bd38f106327bac663
شکل 2. گپ انرژی در مواد نیمه‌رسانا

در نقاط کوانتومی امکان تغییر اندازه گپ انرژی وجود دارد. می‌توان با این امکان، طول موج نور تابش‌شده را تنظیم کرد. نقاط کوانتومی هم از مواد نیمه‌رسانا تشکیل شده‌اند. الکترون‌ها در نقاط کوانتومی بازه‌ای از انرژی‌ها را دارند. مفاهیم تراز انرژی، گپ انرژی، نوار رسانش و نوار ظرفیت هم هنوز معتبرند. با این حال، یک تفاوت بارز وجود دارد: وقتی یک الکترون به نوار رسانش برانگیخته می‌شود، باید به طور حقیقی، مقداری هم در ماده جابه‌جا شود. این فاصله کوچک را به احترام نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، «شعاع بور» می‌نامند. در توده ماده این جابه‌جایی بسیار کوچک‌تر از ابعاد جسم است، به طوری که الکترون به‌راحتی می‌تواند در ماده به اندازه لازم جابه‌جا شود. اما اگر کریستال نیمه‌رسانا در حد شعاع بور کوچک باشد، دیگر قواعد توده ماده بر آن حاکم نیست. در این حالت، دیگر نمی‌توان انرژی‌های مجاز را پیوسته در نظر گرفت و بین هر دو تراز انرژی فاصله می‌افتد. تحت این شرایط، مادة 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 گپ انرژی می‌شود. تغییر نحوه چیده شدن اتم‌ها در سطح نقطه کوانتومی هم باعث تغییر انرژی گپ می‌شود، که باز هم به دلیل اندازه بسیار کوچک این نقاط است. اندازه گپ انرژی در نقطه کوانتومی همیشه بزرگ‌تر از حالت توده ماده است. یعنی الکترون‌ها برای جهش از روی گپ، 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.

2- روش ساختن نقاط کوانتومی
برای ساختن نقاط کوانتومی می‌توان هم از روش‌های بالا به پایین و هم از روش‌های پایین به بالا استفاده کرد. روش‌های پایین به بالا امکان تولید انبوه و ارزان نقاط کوانتومی را ایجاد کرده‌اند. مزیت استفاده از روش‌های بالا به پایین، در امکان کنترل بیشتر محل نقاط کوانتومی و جاسازی آنها درون مدارهای الکترونیکی یا ابزارهای آزمایش است.
یکی از روش‌های پایین به بالا، سنتز کلوئیدی است. در این روش، نمک‌های فلزی به صورت محلول تحت شرایط کنترل‌شده، به حالت بلوری درمی‌آیند. 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 به‌ هم‌ پیوستن ذرات کوانتومی، آنها را با یک لایه از سورفَکتانت‌ها می‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقیق‌تر کنترل شوند ذرات یکنواخت‌تری به وجود می‌آیند.
نوع خاصی از نشاندن لایه‌های نازک با استفاده از واکنش‌های الکتروشیمیایی هم از روش‌های دیگر پایین به بالا برای ساختن نقاط کوانتومی هستند.
در روش‌های بالا به پایین، نقاط کوانتومی به صورت نقطه به نقطه روی سطوح سیلیکون حک می‌شوند. این کار با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی یا لیتوگرافی قلم آغشته در ابعاد بسیار ریز امکان‌پذیر است. در این حالت، می‌توان به‌ دقت محل قرارگیری نقاط کوانتومی را کنترل کرد و با طراحی مدارهای مناسب در اطراف آنها، بین یک یا چند نقطة کوانتومی با دنیای ماکروسکوپی ارتباط برقرار نمود.

3- کاربردهایی برای نقاط کوانتومی 
3-1- نشانگرهای بیولوژیکی 
امکان تابش در فرکانس‌های مطلوب، نقاط کوانتومی را ابزاری کارآمد برای نشانه‌گذاری و تصویربرداری از سلول‌های موجودات زنده ساخته است. 

filereader.php?p1=main_85e415e18c9b1276b
شکل 3. نمونه‌ای از استفاده نقاط کوانتومی

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.

3-2- دیودهای 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. 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.

3-3- 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.

3-4- عناصر مدارهای نوری
یکی از اصلی‌ترین چالش‌های صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست که در حال حاضر به علت محدودیت طبیعیِ نیمه‌رساناهای توده‌ای در جذب و پاسخ به سیگنال، نمی‌تواند بیشتر از این شود. قابلیت تنظیم انرژی گپ و به تبع آن طیف جذبی و خواص ویژه نقاط کوانتومی، می‌تواند بر این مشکل فائق آید. نقاط کوانتومی همچنین قابلیت ایجاد لیزرهای کارآمدتر با اغتشاش کمتر برای ارتباطات سریع‌تر را فراهم می‌کنند.

3-5- مولدهای انرژی خورشیدی
در نبود سوخت‌های فسیلی، یکی از منابع مهم تولید انرژی الکتریکی، تابش خورشید است. مشکل اصلیِ مولدهای کنونیِ انرژی خورشیدی، هزینه بالا و کارآیی کمِ آنهاست. سلول‌های خورشیدی از مواد 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. با طراحی نقاط کوانتومی که بیشتر هم‌پوشانی را در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی مولدهای انرژی خورشیدی را تا بیش از 90 درصد افزایش داد.

filereader.php?p1=main_6303058eb2f223551
شکل 4. نقاط کوانتومی با طراحی‌های مختلف

با استفاده از لیتوگرافی پرتو الکترونی می‌توان نقاط کوانتومی را در محل مشخصی حک کرد و با طراحی مدارهای مناسب اطراف آنها، بین یک یا چند نقطه کوانتومی با دنیای ماکروسکوپی ارتباط برقرار نمود.

3-6- کاربردهای دیگری از نقاط کوانتومی 
نقاط کوانتومی، بلورهایی نانومتری هستند که از خود نور ساطع می‌کنند. طول موج نور ساطع شده از آنها به اندازه بلور بستگی دارد. به دلیل اینکه الکترون‌ها در این بلورهای نانومتری به روش یکسانی رفتار می‌کنند، آنها را نقاط کوانتومی می‌نامند.
موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، فسفات ایندیوم و غیره بسته به اندازه، طول موج یا رنگ معینی از نور را پس از تحریک الکترون‌ها با استفاده از یک منبع خارجی از خود ساطع می‌کنند. انتشار نور توسط نقاط کوانتومی در تشخیص‌های پزشکی کاربرد فراوانی دارد. این نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتی عمل می‌کنند با این تفاوت که در برابر درخشان شدن خاصیت و توانایی خود را از دست نمی‌دهند و در برابر تعداد سیکل‌های تحریک و انتشار نور مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند.
نقاط کوانتومی می‌توانند به گونه‌ای تنظیم شوند که در رنگ‌های مختلف با یک طول موج نور معین بدرخشند. به عبارتی می‌توانیم 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 یک طول موج بدرخشند. این امر به برچسب‌های چندگانه امکان می‌دهد تا با استفاده از یک منبع نور وارد ردیابی شوند.
در دانشگاه فنی جورجیا و مرکز تحقیقات کمبریج ار نقاط کوانتومی در تصویربرداری سلول‌های تومور در موش استفاده شده است. این نقاط کوانتومی از هسته‌های کادمیومی به قطر 5 نانومتر که با سولفید سلینید پوشیده شده بودند، درست شده بودند و توسط پوششی از پلیمر محافظت می‌شدند تا از حمله آنتی‌بادی‌های بدن موش به آنها و نیز نشت یون‌های کادمیوم و سلینیوم سمی در بدن جلوگیری شود.

filereader.php?p1=main_e78ae6154647d1676filereader.php?p1=main_5afd22d775c6822b8
شکل 5. استفاده از نقاط کوانتومی برای تشخیص سرطان

به پوسته خارجی این نقاط کوانتومی آنتی‌بادی‌هایی متصل شد تا به صورت هدفمند به سلول تومور پرستات متصل شوند. نقاط کوانتومی با کمک جریان خون و از طریق تزریق وارد بدن شده و در محل تومور جمع شدند تا علاوه بر ایجاد قابلیت آشکارسازی در تصویربرداری به درمان و نابودی این سلول‌های تومور نیز کمک نمایند. 
امروزه از نقاط کوانتومی در تشخیص مرز واقعی بین سلول‌های سالم و سلول‌های تومور در مغز کمک گرفته می‌شود. تیمی از محققان از بنیاد کلینیک کلیولند اعلام داشته‌اند که نقاط کوانتومی در هنگام تزریق به حیوانات مبتلا به تومور مغزی در محل تومور تجمع می‌کنند این نقاط کوانتومی قابل رویت هستند و حتی زمانی که تحت تابش قرار نمی‌گیرند نیز مرئی می‌باشند. نتایج کار این تیم تحقیقاتی در مجله نئوسرجری درج شده است. بر این اساس زمانی که حجم زیادی از نقاط کوانتومی به موش‌های مبتلا به تومور مغزی تزریق شد، نانوکریستال‌های فلوئوروسانت در سلول های ایمنی موش‌ها (ماکروفاژها) تجمع می‌کنند. این سلول‌ها می‌توانند از سد بین مغز و خون بگذرند و در اطراف سلول‌های مغزی جای گیرند. زمانی که نور آبی یا نور ماورای بنفش به آنها تابانده می‌شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع می‌کنند. محقق این نور را با استفاده از دوربین‌های دیجیتالی ویژه، وسایل اسپکتروسکوپی اپتیکی یا میکروسکوپ فلوئورسانس میدان تاریک دریافت می‌کنند و بدین ترتیب مکان دقیق تومور و حد فاصل آن با بافت سالم را تعیین می‌کنند.

4- نقاط کوانتومی و رها کردن تخم‌مرغ‌ها!
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 فناوری نانو (محدوده‌ی بین 1 تا 100 نانو متر) خواص ماده تغییرات چشم‌گیری می‌یابد. این تغییرات شدید در خواص ماده دلایل گوناگونی دارد که تا کنون در تعدادی از مقالات سایت به برخی از آن‌ها اشاراتی شده است.
همان‌طور 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 (Quantum Well) می‌گوییم. هر گاه دو بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما یک بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختار حاصل را سیم کوانتومی (Quantum Wire) می‌گوییم و در نهایت، هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) 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.

filereader.php?p1=main_f72b06aaea4e50ecc
شکل6- هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در این شکل یک نقطه کوانتومی در سطح ساختار اتمی نشان داده شده است (شکل نقطه کوانتومی سیلیکون).

4-1- مکانیسم انتشار نور در جامدات
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.

filereader.php?p1=main_7d1b6d9890f9fcbeb
شکل 7- 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.

هنگامی که پرتوی فرابنفش 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.

4-2- رفتار نوری نقاط کوانتومی
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 فرابنفش 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 فرابنفش 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.

filereader.php?p1=main_775d4bb28d257a6aa
شکل 8- با بزرگ شدن ابعاد نقاط کوانتومی، طیف نور تابشی آنها از رنگ آبی به سمت رنگ قرمز میل می‌کند.

4-3- آزمایش رها کردن تخم مرغ‌ها
به منظور بهتر به خاطر سپردن رفتار نوری نقاط کوانتومی می‌توانید آزمایش زیر را انجام دهید. (البته تبعات آن با خودتان است!) یک تخم بلدرچین، یک تخم مرغ و یک تخم غاز تهیه کنید (قطر متوسط تخم بلدرچین، تخم مرغ و تخم غاز به ترتیب 1/5 سانتی‌متر، 5 سانتی‌متر و 8 سانتی‌متر است). هر سه را در ارتفاع تقریباً 25 سانتی‌متری سطح زمین بگیرید و هم زمان رها کنید. بهتر است از شخص دیگری هم کمک بخواهید. نتیجه را به دقت مشاهده کنید (برای مشاهده‌ی دقیق‌تر می‌توانید با دوربین گوشی تلفن همراه خود از صحنه فیلم بگیرید و آن را چند بار مشاهده کنید). تخم غاز که از همه بزرگ‌تر است می‌شکند، اما شکنندگی آن زیاد نیست. تخم غاز مانند نقطه‌ی کوانتومی بزرگ است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نور کم انرژی است (متمایل به قرمز). تخم مرغ که انداز‌ه‌ی متوسطی دارد نیز می‌شکند، و مانند نقطه‌ی کوانتومی متوسط که نور مرئی در محدوده‌ی طیف نوری با انرژی متوسط ساطع می‌کند، رفتار می‌کند. در نهایت تخم بلدرچین بیش از دیگران می‌شکند و آسیب می‌بیند. تخم بلدرچین مانند نقطه‌ی کوانتومی کوچک است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نوری پر انرژی است (متمایل به آبی).

filereader.php?p1=main_c4340906de5040575
شکل 9- آزمایش رها کردن تخم غاز، تخم مرغ و تخم بلدرچین

5- نتیجه
نقاط کوانتومی به عنوان یک ساختار پرکاربرد در فناوری نانو بسیار مورد توجه است. کاربردهای گوناگون آن از علوم پزشکی، علوم زیستی و فناوری زیستی گرفته تا الکترونیک، لیزر، آشکارساز و غیره موجب اهمیت زیاد این ساختارها در فناوری نانو شده است.

منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو

نظرات و سوالات

نظرات

0 0

یاسین محمد ولی - ‏۱۳۹۷/۰۴/۰۹

محتوی مقاله خیلی خوب بود