נקודה קוונטית
נְקֻדָּה קְוַנְטית (באנגלית: Quantum dot או Qdot) היא חלקיק בסדר גודל ננומטרי, העשוי מוליך למחצה, אשר בו ישנו תיחום קוונטי (quantum confinement) בכל הממדים, כלומר פונקציית הגל של נושאי המטען בחומר (אלקטרון או חור) מתוחמות במרחב כמו בבור פוטנציאל. הנקודות הקונטיות התגלו בתחילת שנות ה-80, ומאז נחקרו שימושים שלהם בדימות רפואי, חישוב קוונטי, דיודות פולטות אור, תאים סולריים ועוד.
תיאור
נקודות קוונטיות יכולות להיות בגדלים שונים, החל מננומטרים בודדים ועד לעשרות ננומטרים. בהתאמה הנקודות הקוונטיות מכילות בין עשרות לעשרות-אלפי אטומים.
התכונות הפיזיקליות של הנקודה הקוונטית, כמו בכל ננו-חלקיק, נקבעות ע"פ חומר הגלם ממנו מייצרים את החלקיק, גודלו וצורתו, בניגוד לחומר כפי שאנו מכירים מהעולם הרחב בו הגודל והצורה אינם משפיעים על התכונות הפיזיקליות. דבר זה נובע מהתיחום הקוונטי החזק המשפיע על מבנה פסי האנרגיה של החומר. נקודות קוונטיות נקראות גם "אטומים מלאכותיים", כיוון שיש לאטומים וננו-חלקיקים תכונות דומות. רמות האנרגיה שלהם מוגדרות באופן בדיד ושניהם מאגדים מספר קטן של אלקטרונים. בניגוד לאטומים, פוטנציאל התיחום בנקודות קוונטיות אינו חייב להיות בעל אפיונים סימטריים כדוריים, והוא תלוי במבנה הגאומטרי של הנקודה הקוונטית. בנקודות קוונטיות עם סימטריה כדורית, או נקודות קוונטיות שטוחות בעלות סימטריה עגולה, מעטפת פונקציית הגל זהה לזו המתוארת בכללי האטום של הונד. כיוון שניתן להנדס את הנקודות הקוונטיות, מבחינת החומרים המרכיבים והמבנה הגאומטרי, ניתן לתכנן אותן כך שיתאימו לאפליקציות ספיציפיות - אופטיות, אלקטרוניות וכדומה.
במוליכים למחצה ננומטרים ניתן ליצור אקסיטונים (מהמילה באנגלית עירור - excite להראות מצב מעורר של החומר), כמו במוליכים למחצה רגילים. אם יוצרים בנקודה קוונטית אקסיטון, האלקטרון והחור יהיו קשורים ומוגבלים לנוע בתוך הנקודה הקוונטית. על כן, לנקודה קוונטית יש ספקטרום אנרגיה בדיד, כמו בבור פוטנציאל קוונטי, והיא מכילה מספר פסי הולכה קטן וסופי (בסדר של 1-100).
צורות ומבנים
ניתן לייצר נקודות קוונטיות בצורות ובמבנים שונים. הצורות הנפוצות הן:
- ננו-כדור - לעיתים קרובות המושג "נקודה קוונטית" מתייחס רק לננו-חלקיקים כדוריים.
- ננו-מוט - "ננו-מוטות" (באנגלית - Nano Rods), הינן נקודות קוונטיות בצורת מוט או גליל, עם ראש כיפתי מעוגל. בננו-מוטות התכונות הפיזיקאליות מושפעות בצורה משמעותית מהצורה הגאומטרית. ברוב המקרים, ניתוח פיזיקאלי תאורטי של התכונות של ננו-מוטות, מתבצע באמצעות מודל של אליפסואיד, כיוון שקשה לנתח תכונות של גליל וישנם תחומים בהם לגליל אין פתרונות אנליטיים.
המבנים הנפוצים:
- מבנה הומוגני - כל הנקודה הקוונטית בנויה מאותו החומר (או התרכובת).
- מבנה ליבה-מעטפת - (באנגלית Core-Shell) נקודה קוונטית אשר הליבה שלה עשויה מחומר מסוים, כאשר הליבה נעטפת במעטפת מחומר אחר. מבנה זה מסייע ביישומים אופטיים, כיוון שהוא מונע לכידה של נושאי המטען בפני השטח של הנקודה הקוונטית.
- מבנה ליבה-מעטפות מרובות - בנייה של מעטפות רבות על הליבה.
- מבנה מדורג - שינוי הדרגתי של החומר המרכיב את הנקודה הקוונטית מחומר מסוים לאחר. לדוגמה, ליבה העשויה מתרכובת GaAs כאשר המעטפת החיצונית עשויה מהתרכובת AlGaAs, אך המעבר אינו חד כמו במבנה ליבה-מעטפת אלא הדרגתי על ידי הוספת ריכוז הולך וגדל של אטומי Al.
יצור
- נקודות קוונטיות נוצרות לעיתים נדירות באופן ספונטני, כתוצאה מתנודות אנרגטיות חזקות בבורות קוונטיים.
- נקודות קוונטיות שנבנו על ידי האדם יוצרות גרעין, שניתן עליו לגדל נקודות אחרות במבנים שונים.
- כאשר מגדלים שכבה של חומר על מצע באמצעות קרן מולקולות אפיטאקסית, אם יש חוסר התאמה בין קבועי הסריג של המצע והשכבה המגודלת, יכולים בתנאים פיזיקאליים מסוימים להיווצר "איים" במקום שכבה אחידה. תחת התנאים הנכונים, איים אלה יהיו בסדר גודל ננומטרי. גידול זה ידוע גם כגידול סטרנסקי-קרסטנוב. על האיים ניתן לגדל שכבה נוספת של חומר, כך שהאיים הינם נקודות קוונטיות הקבורות בתוך החומר.
- סינתזה קולאידית - כאשר יוצרים סביבה גזית או נוזלית, בעלת ריכוזים מסוימים של מגיבים, נוצרת אינטראקציה כימית אשר במהלכה מתחיל "גירעון" של תרכובת. כלומר, מתוך הסביבה ההומוגנית, מתחילים להיווצר גרעינים של מולקולות אשר צוברים עוד ועוד מולקולות. אם מפסיקים את התהליך בזמן, מתקבלת תמיסה ובה חלקיקים ננומטרים שהם למעשה הנקודות הקוונטיות. ישנם מספר יתרונות לשיטת ייצור זו:
- ניתן לשלוט על גודל הנקודות הקוונטיות על ידי הפסקת התהליך לאחר פרקי זמן שונים.
- ניתן לבצע על נקודות קוונטיות קולואידיות מניפולציות רבות, דוגמת שיקוען בתמיסה, ריבודן על מצע וכדומה לצורכי מחקר או יישומים טכנולוגיים.
- מסיבות אלה, סינתזה קולואידית היא הדרך שבה מייצרים נקודות קוונטיות בייצור המוני.
יישומים
כיוון שניתן לשלוט על הגודל, הצורה וסוג החומר בנקודות הקוונטיות, ניתן לשלוט במידה טובה במיקום הרמות האנרגטיות השונות. עקב כך, המחקר העכשווי צופה שהנקודות הקוונטיות יוכלו להיות יעילות ביותר במגוון יישומים. דוגמאות לנושאים יישומיים הנחקרים כיום בהקשר זה הם לייזרי דיודה, מגברים אופטיים, תאים פוטו-וולטאים (במקום השימוש בסיליקון), חיישנים ביולוגיים לטובת רפואה, דימות ביולוגי (bioimaging)(אנ')[1], ועוד.
שימוש נוסף לנקודות קוונטיות הוא ליצירת צבע בתמיסות. קודם לכן השתמשו בצבען אורגני אך בכל שנה שעוברת גודל הצורך לגמישות גבוהה יותר והצבעים המסורתיים פשוט אינם עומדים בסטנדרטים החדשים. למטרה זו נמצאו הנקודות הקוונטיות מתאימות מאד שכן כמות הצבעים, התלויה בגודל החלקיקים, גדולה עד כדי אינסופית. בתחילה נקלעו לבעיה עקב היבהוב אקראי בפלואורסצנציה (הארה) של הנקודות הקוונטיות, אך מחקרים עכשוויים מספקים שיטות שונות להתגבר על כך, דוגמת מבנה הליבה-מעטפת שהוזכר קודם לכן.
ביבליוגרפיה
- M. A. Reed, J. N. Randall, R. J. Aggarwal, R. J. Matyi, T. M. Moore, and A. E. Wetsel, Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure, Phys. Rev. Lett. 60, 535 (1988).[1]
- M. A. Reed, Quantum Dots, Scientific American 268, Number 1, 118, 1993.[2]
- Murray, C. B., Norris, D. J., & Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715, 1993.
- Peng, Z. A., Peng, X.; Formation of high-quality CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals using CdO as precursor (123), J. Am. Chem. Soc., 2001, 183-184.
- Wang, C., Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. Electrochromic nanocrystal quantum dots., Science 291 2390-2392 (2001).
- Michalet, X. & Pinaud, F. F. & Bentolila, L. A. & Tsay, J. M. & Doose, S. & Li, J. J. & Sundaresan, G. & Wu, A. M. & Gambhir, S. S. & Weiss, S. (2005, January 28). Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. In Science, 307, 538 – 544.
- Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. N-type colloidal semiconductor nanocrystals., NATURE 407 (6807): 981-983 OCT 26 2000
- W. E. Buhro and V. L. Colvin, Semiconductor nanocrystals: Shape matters, Nat. Mater., 2003, 2, 138 139.
- S. Bandyopadhyay and A. E. Miller (2001). "Electrochemically self-assembled ordered nanostructure arrays: Quantum dots, dashes, and wires", Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices,6.
- High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy Conversion R. D. Schaller and V. I. Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601 (2004)
- Michael J. Bowers II, James R. McBride, and Sandra J. Rosenthal (2005). White-Light Emission from Magic-Sized Cadmium Selenide Nanocrystals, Journal of the American Chemical Society, October 18, 2005.
ראו גם
קישורים חיצוניים
- מיכל סחף, גלילאו, נקודות קוונטיות במוליכים למחצה - חלק ראשון, באתר ynet, 1 בספטמבר 2005
הערות שוליים
- ↑ Quantum Dot Literature References, Nikon’s MicroscopyU
שגיאות פרמטריות בתבנית:מיון ויקיפדיה
שימוש בפרמטרים מיושנים [ דרגה ] נקודה קוונטית22352654