آرشیو: نقاط کوانتومی

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 منحصر به‌ فردي 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 راتابش 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 مواد 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 درباند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار کمي از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشترالکترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري که آنها را تقريباً پر مي‌کنند. همين پديده باعث مي‌شود که مواد 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 درنوار 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.