برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۹۱۳
  • بازدید این ماه ۱
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
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

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

نویسندگان
امتیاز کاربران

کاربردهای نقاط کوانتومی

مقدمه:

     نقاط کوانتومی، به خاطر کوچک بودنشان، دسته‌ی منحصربه فردی 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 می بخشد. در ادامه با برخی از کاربردهای نقاط کونتومی در صنایع مختلف آشنا می‌شویم.
1- نقاط کوانتومی چه کاربردهایی دارد؟

1-1- نشانگرهای بیولوژیکی (زیستی)

     به علت امکان تابش و ساطع کردن نور توسط نقاط کوانتومی در یک سری از طول موج‌های مورد نظر، آنها برای کاربرد نشانه گذاری و عکس‌برداری از سلول‌های موجودات زنده بسیار کارآمد هستند.
با اتصال نقاط کوانتومی به انتهای مولکول‌های زیستی بزرگ مانند پروتئین‌ها یا رشته‌های DNA می‌توان از آنها برای شناسایی و ردیابی بیماری‌های درون بدن موجودات زنده استفاده کرد. تنوع طول موج‌های تابشی نقاط کوانتومی این امکان را فراهم آورده است که هم زمان چندین نشانگر را در اجزای سلول زنده به کار برد و از نحوه و میزان برهمکنش آنها مطلع شد.

    پیش از استفاده از نقاط کوانتومی از مولکول‌های رنگی برای این کار استفاده می‌شد که تنوع کم‌تری نسبت به نقاط کوانتومی از نظر رنگ‌ داشته و باعث اختلال در فعالیت سلول‌های زنده می‌گردند و برای به‌کارگیری درون بدن موجودات زنده مناسب نیستند.

1-2- دیودهای نورانی سفید

     توانایی تنظیم گپ انرژی در نقاط کوانتومی سبب می‌شود که بتوان از آنها در ساخت دیودهای نوری سفید بهره برد؛ به این ترتیب، می‌توان به طیف وسیعی از رنگ‌ها دست یافت و منابع نوری با کارآیی بسیار بالایی ایجاد کرد. همچنین با ترکیب نقاط کوانتومی با ابعاد مختلف، می‌توان منابع پربازده برای تولید نور سفید ایجاد کرد.
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 متفاوتی تابش می‌کنند، اما همه آنها را می‌توان با یک پرتوی نور دارای طول موجی در محدوده ماورای بنفش تحریک کرد؛ حال اگر سه و یا تعداد بیشتر از محلول‌های نقاط کوانتومی با رنگ‌های مختلف را با یکدیگر مخلوط کنیم و به آن نور ماروای بنفش بتابانیم؛ با جذب پرتوی تابیده شده، نور سفیدرنگی از خود ساطع می‌کنند. به علت باریک بودن طیف تابشی نقاط کوانتومی نسبت به لامپ‌های التهابی، اتلاف انرژی که در لامپ‌های التهابی به صورت نور مادون قرمز مشاهده می شود در دیودهای نوری ساخته شده از نقاط کوانتومی وجود ندارد؛ در نتیجه منبعی از نور سفید با بازدهی بسیار بیشتری خواهیم داشت.

1-3- 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 سطحی نقطه کوانتومی غلبه کرد. برای انجام این کار، از اعمال میدان الکتریکی بهره می‌برند. الکترون‌هایی که به نقاط کوانتومی اضافه می‌شوند، در ترازهای گسسته انرژی قرار می‌گیرند. این ترازها شبیه ترازهای مختلف اتم‌های عناصر هستند؛ به همین علت، به این نقاط کوانتومی باردارشده "اتم‌های مصنوعی" می‌گویند که خواصی متفاوت از خواص اتم‌ 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 شده‌اند.

1-4- عناصر مدارهای نوری

     یکی از اصلی‌ترین چالش‌های صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌ها است. در حال حاضر به علت محدودیت طبیعی نیمه‌رساناهای توده‌ای در جذب و پاسخ به سیگنال، قابلیت افزایش سرعت انتقال داده‌ها توسط نیمه رساناهای توده‌ای متداول وجود ندارد.
قابلیت تنظیم انرژی گپ و به تبع آن طیف جذبی و خواص ویژه نقاط کوانتومی، می‌تواند راه حلی برای این مشکل باشد. نقاط کوانتومی همچنین قابلیت ایجاد لیزرهای کارآمدتر با اغتشاش کم‌تر برای ارتباطات سریع‌تر را نیز فراهم می‌کنند.

1-5- مولدهای انرژی خورشیدی

     در نبود سوخت‌های فسیلی، یکی از منابع مهم تولید انرژی الکتریکی، تابش خورشید است. مشکل اصلی مولدهای کنونی انرژی خورشیدی، هزینه بالا و کارآیی کم آنها است. 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 همپوشانی بیشتری در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی مولدهای انرژی خورشیدی را تا بیش از 90 درصد افزایش داد.

1-6- نقاط کوانتومی و ساخت آشکارسازهای مادون قرمز

     کوانتومی قابلیت تولید نور در طول موج‌های خاص را دارند؛ در واقع با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی و میدان الکترومغناطیسی، نور را در رنگ‌ها و طول موج‌های مختلف، منتشر می‌کنند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنید کادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر می‌کند؛ درحالیکه ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده، نور قرمز منتشر می‌کند.

filereader.php?p1=main_2838023a778dfaecd

شکل 1: نقاط کوانتومی از جنس آرسنید کادمیوم

به همین خاطر از نقاط کوانتومی می‌توان در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز استفاده نمود.

     جهت عملکرد صحیح آشکارسازهای متداول بایستی از آنها در دمای بسیار پایین، چیزی نزدیک به 80 درجه کلوین استفاده کرد؛ بنابراین این آشکارسازها در دمای اتاق قابل استفاده نیستند و برای خنک سازی آنها از اکسیژن مایع و خنک سازی الکترونیکی استفاده می‌شود. این در صورتی است که از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی می توان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.

1-7- .نقاط کوانتومی و ساخت سلول‌های خورشیدی

     به دلیل افزایش نیاز بشر به منابع انرژی پاک، صنعت تولید سلول‌های خورشیدی با سرعت بسیاری در حال گسترش است. سلول‌های خورشیدی سیلیکونی رایج، توانایی لازم برای تبدیل تمام انرژی فوتون‌های جذب شده به الکترون‌ها، حفره‌های آزاد و در نهایت تولید الکتریسیته را ندارد. از سوی دیگر، به علت قیمت بالای مواد خام نیمه‌هادی و نیز فرآیندهایی که برای تبدیل مواد خام نیمه‌هادی به سلول‌های کاربردی نیاز است، هزینه‌ی تولید این سلول‌ها بسیار بالاست.
     نقاط کوانتومی در هنگام قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش به ازای هر فوتون می‌توانند، انرژی بیش از یک الکترون را تولید کند و این در حالی است که سلول‌های خورشیدی سیلیکونی رایج، توانایی تولید یک الکترون را دارند.
     از آنجایی که این ذرات کوانتومی، بسیار کوچک هستند می‌توان آنها را روی سطوح انعطاف‌پذیر مختلف، نظیر پلاستیک‌ها اسپری کرد.
     درنتیجه از یک سو، تولید پیل‌های خورشیدی با قیمت پایین‌تری نسبت به پیل‌های خورشیدی رایج انجام می‌شود و از سویی دیگر، نقاط کوانتومی به‌شدت به‌هم فشرد شده و فاصله میانشان کاهش می‌یابد که این موضوع موجب افزایش راندمان تبدیل انرژی و تولید جریان الکتریسیته می‌شود.

منابـــع و مراجــــع

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- www.wikipedia.org