Kvantpunkt

Allikas: Vikipeedia
Quantum Dots with emission maxima in a 10-nm step are being produced in a kg scale at PlasmaChem GmbH

Kvantpunktid on nanoosakesd, mis on tavaliselt valmistatud pooljuht materjalidest millel on helendavad omadused.(CdSe,...). Kvantpunktid on tavaliselt piisavalt väikesed, et kõigis kolmes mõõtmes esineb elektrienergia kvantiseerimine ja eksitonid on piiratud. Seetõttu on selliste materjalide elektroonilised omadused mass pooljuhtide ja eraldiseisvate molekulidega ainete vahepealsed.

Kvantpunktid on pooljuhid, mille elektrilised omadused on lähedalt seotud individuaalse kristalli suuruse ja kujuga. Üldiselt, mida väiksem on kristalli suurus, seda suurem on sidemete vaheline erinevus. Mida suuremaks muutub energia erinevus kõrgeima valentssideme ja madalaima juhtimissideme vahel, seda suuremat energiat on vaja punkti ergutamiseks ning samal ajal vabastatakse rohkem energiat, kui kristall pöördub oma puhke seisundisse. Näiteks helendava värvaine rakendustes, võrdsustub see pärast punkti ergastamist eralduva valguse suurema sagedusega, sest kristalli suurus väheneb. Selle tulemusena muutub kiirguv värv punasest siniseks. Taolisele muundumisele lisaks on kvantpunktide peamiseks eeliseks on see, et tulenevalt kõrgest kontrolliastmest kristalli suuruse üle on võimalik täpne kontroll materjali juhtivate omaduste üle.

Pooljuhtide, metallide ja metallioksiidide kvantpunktid on olnud viimastel aastatel uuringute peamiseks sisuks nende uudsetest elektroonilistest, optilistest, magnetilistest ja katalüütilistest omadustest tulenevalt. Tänaseks on keemia, füüsika ja materjaliteadus pakkunud välja meetodeid kvantpunktide tootmiseks ning lubavad täpsemat kontrolli tootmise üle, mis mõjutab osakeste kasvu ja suurust, lahustuvust ning kiirgusomadusi. Kiirguvat valgust on võimalik muuta soovitud lainepikkuseks, muutes osakeste suurust läbi hoolikalt kontrollitud kasvu etappide. Kvantpunktid helendavad mitmevärviliselt kui on mõjutatud laserallikast ning on rohkem kui 1000 korda heledamad ja helendavad kauem kui traditsioonilised fluorestsents värvained.

Kvandi piiramine pooljuhtides[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Mitte-kitsendatud (mitte-piiratud) pooljuhtides on elektron-auk paar tüüpiliselt seotud iseloomuliku pikkusega sidemega, mida nimetatakse Bohr’i eksiton raadiuseks. Kui elektroni ja augu vahe on rohkem piiratud, muutuvad pooljuhi omadused. See efekt on kvandi piiramise üks vorm ning on üheks võtmeomaduseks paljudes levivates elektroonilistes strkutuurides.
  • Teised piiratud kvandiga pooljuhid on:
    • Kvandi juhtmed, kus piiravad elektorne ja auke kahes ruumilises dimensioonis ja lubavad vaba levimist kolmanadas
    • Kvandi anumad (reservuaarid/setitid), mis piiravad elektrone ja auke ühes dimesioonis ning lubavad vaba levimist kahes dimensioonis.

Kvantpunktide optilised omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Aerosool-kvantpunktide koheseks optiliseks omaduseks on nende värving/värvilisus. Sama materjali kvantpunktid, millel on erinev suurus, saavad kiirata erinevat värvi valgust. Mida suurem on punkt, seda punasem (madalam energia) on selle fluorestsents spekter. Vastupidiselt, väiksemad punktid kiirgavad sinisemat (kõrgem energia) valgust. Värving on otseselt seotud kvantpunkti energia tasemega.
  • Kvantitatiivselt, side-vahe(side-tühimik) energia, mis määrab fluorestsents valguse energia (ja sealjuures ka värvi) on pöördvõrdeliselt proportsionaalne kvantpunkti suuruse ruuduga. Ebg ~ 1/d2.
  • Suurematel kvantpunktidel on rohkem energiatasemeid, mis asetsevad rohkem lähestikku. See lubab kvantpunktil imada footoneid, mis sisaldavad vähem energiat, näiteks neid, mis on sketrumi punasele osale lähemal.
  • Hiljutised artiklid nanotehnoloogiat puudutavates ja teistes ajakirjades on hakanud välja pakkuma, et kvantpunkti kuju võib samuti mõjutada värvingut.
  • Veelgi enam, hiljuti näidati, et fluorestsentsi eluiga on määratud suurusest. Suurematel punktidel on rohkem lähestikku paiknevad energiatasemed, milles on võimalik kinni püüda elektron-auk paar. Seetõttu elevad elektron-auk paarid suuremates punktides kauem ning suuremate punktide eluiga on pikem.
  • Sarnaselt molekuliga on kvantpunktil nii kvanditud energia spektrum kui kvanditud elektrooniliste olekute pinge sideme äärealade läheduses.

Kvantpunktide rakendusi[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Kvantpunktid on iseäranis olulised optilistes rakendustes tulenevalt nende teoreetiliselt kõrgest kvandi toodangust ( Q = kiiratud footonid)
  • Elektrilistes rakendustes näitavad need kuloni blokaadi efekti ning on tõestatud, et toimivad kui üksik elektron transistor.
  • Kvantpunktide suuruse muutmise võimalus on paljude rakenduste eeliseks. Näiteks suurem kvant ilmutab vähem teadaolevaid kvandi omadusi. Vastupidiselt öelduna: väiksemad osakesed võimaldavad ära kasutada kvandi omadusi.
  • Olles null-dimesionaalne, on kvantpunktidel järsem olekute pinge kui rohkemate dimensioonidega struktuuridel. Selle tulemusena on neil paremad transpordi- ja optilised omadused ning on uuritud nende sobivust kasutamiseks diood-laserites, võimendites ja bioloogilistes sensorites.
  • Kvantpunktid võivad olla ärritatud lokaalselt suurendatud elektromagnetväljades, mis on toodetud kulla nanoosakestest ning mida saab vaadelda ZnS nanokristallide fotoluminestsents ärrituse spektrumi (CdSe) pinna plasma resonantsilt.
  • Kõrgekvaliteedilised kvantpunktid sobivad hästi optiliseks kodeerimiseks ja rakenduste mitmekordistamiseks tulenevalt nende laiast ärrituvuse profiilist ja kitsast/sümmeetrilisest kiirguse spektrumist.
  • Kvantpunktide uuel generatsioonil on kaugeleulatuv potentsiaal rakusisesteks uuringuteks üksik-molekuli tasandil, kõrg-resolutsiooniliseks rakuliseks kujutamiseks (pildiliseks reproduktsiooniks), pikaajaliseks in vivo rakkude liikumise jälgmiseks, kasvajaliste protsesside tabamiseks ja diagnoosimiseks.