نقاط كوانتومی, روش های ساخت و كاربردها

كارآیی نقاط كوانتومی به خاطر قابل تنظیم بودن طول موجی است كه بیشترین شدت نور را تابش می كند

نقاط كوانتومی ــ یا نانوكریستال‌ها ــ در دستهٔ نیمه‌رساناها جای می‌گیرند. نیمه‌رساناها اساس صنایع الكترونیك جدید هستند و در ابزارهایی مانند دیودهای نوری و رایانه‌های خانگی به كار گرفته می‌شوند. اهمیت نیمه‌رساناها در این است كه رسانایی الكتریكی این مواد را می‌توان با محرك‌های خارجی مانند میدان الكتریكی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی كه از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یك كلید عمل كنند. این خاصیت، نیمه‌رساناها را به یكی از اجزای حیاتی انواع مدارهای الكتریكی و ابزارهای نوری تبدیل كرده است.

نقاط كوانتومی، به خاطر كوچك بودنشان، دستهٔ منحصربه‌فردی از نیمه‌رساناها به شمار می‌روند. پهنای آنها، بین ۲ تا ۱۰ نانومتر، یعنی معادل كنار هم قرار گرفتن ۱۰ تا ۵۰ اتم است. در این ابعاد كوچك، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای در كاربردهای علمی و فنی به نقاط كوانتومی می‌بخشد.

كارآیی نقاط كوانتومی به خاطر قابل تنظیم بودن طول موجی است كه بیشترین شدت نور را تابش می‌كند. وقتی نقاط كوانتومی را با محرك نور ماورای بنفش وادار به تابش كنیم، این طول موج، رنگ نقاط كوانتومی را مشخص می‌كند . مقدار این طول موج به جنس و اندازهٔ نقاط كوانتومی بسیار حساس است و روش‌های جدید در فناوری نانو، به تولیدكنندگان آنها توانایی زیادی در كنترل دقیق این طول موج بخشیده است. این خاصیت مهم نقاط كوانتومی، فقط با مكانیك كوانتومی قابل توصیف است كه در ادامه به آن اشاره می‌كنیم.

الكترون‌ها در مواد نیمه‌رسانا ــ در اندازه‌های بسیار بزرگتر از ۱۰ نانومتر ــ بازهٔ مشخصی از انرژی را دارند. وقتی یك الكترون انرژی متفاوتی از الكترون دیگر دارد، گفته می‌شود كه در یك تراز انرژی متفاوت قرار دارد. خاصیت ذاتی الكترون‌ها باعث می‌شود كه بیش از دو الكترون نتوانند در یك تراز انرژی قرار بگیرند. در یك تودهٔ بزرگ از مادهٔ نیمه‌رسانا، ترازهای انرژی بسیار نزدیك هم هستند؛ آن‌قدر نزدیك كه به صورت یك بازهٔ پیوسته توصیف می ‌شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حدّ صفر است.

خاصیت دیگر موادّ نیمه‌رسانا این است كه درون بازهٔ پیوستهٔ انرژی‌هایش یك گپ (شكاف، فاصله) وجود دارد، یعنی الكترون‌ها مجاز به داشتن انرژی در این گپ نیستند. الكترون‌هایی كه ترازهای پایین گپ را اشغال می‌كنند «الكترون‌های ظرفیت در باند ظرفیت» و الكترون‌های ترازهای بالای گپ «الكترون‌های رسانش در باند رسانش» نامیده می‌شوند.

در مواد نیمه‌رسانا به حالت توده‌ای، درصد بسیار كمی از الكترون‌ها در نوار رسانش قرار می‌گیرند و بیشتر الكترون‌ها در نوار ظرفیت قرار می‌گیرند، به طوری كه آنها را تقریباً پر می‌كنند. همین پدیده باعث می‌شود كه موادّ نیمه‌رسانا در حالت عادی (غیر برانگیخته) نارسانای جریان الكتریكی باشند. اگر الكترون‌های بیشتری بخواهند در باند رسانش قرار گیرند، باید انرژی كافی برای بالارفتن از گپ انرژی دریافت كنند. تحریك با نور، میدان الكتریكی یا گرما می‌تواند تعدادی از الكترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش بفرستد. در این حالت، تراز ظرفیتی كه خالی می‌شود، «حفره» نام دارد، زیرا در طی این رویداد، یك حفرهٔ موقت در نوار ظرفیت به وجود می‌آید.

تحریكی كه باعث جهش الكترون 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 كه تنها به تركیب آن مواد بستگی دارد. الكترون‌هایی كه به نوار رسانش برانگیخته شده‌اند، بعد از مدتی دوباره به نوار ظرفیت برمی‌گردند.

در این بازگشت، ابتدا الكترون‌ها جهش‌های بسیار كوچكی می‌كنند و از طریق لرزش‌های گرمایی انرژی‌شان را به باقی تودهٔ ماده منتقل می‌نمایند كه 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 كه گپ انرژی نیمه‌رسانا كاملاً معین است، نور تنها در طول موج معینی تابش می‌شود.

در نقاط كوانتومی امكان تغییر اندازهٔ گپ انرژی وجود دارد. می‌توان با این امكان، طول موج نور تابش‌شده را تنظیم كرد. نقاط كوانتومی هم از موادّ نیمه‌رسانا تشكیل شده‌اند. الكترون‌ها در نقاط كوانتومی بازه‌ای از انرژی‌ها را دارند. مفاهیم تراز انرژی، گپ انرژی، نوار رسانش و نوار ظرفیت هم هنوز معتبرند. با این حال، یك تفاوت بارز وجود دارد: وقتی یك الكترون به نوار رسانش برانگیخته می‌شود، باید به طور حقیقی، مقداری هم در ماده جابه‌جا شود. این فاصلهٔ كوچك را به احترام نیلز بور، فیزیكدان دانماركی، «شعاع بور» می‌نامند.

در تودهٔ ماده این جابه‌جایی بسیار كوچكتر از ابعاد جسم است، به طوری كه الكترون به‌راحتی می‌تواند در ماده به اندازهٔ لازم جابه‌جا شود. اما اگر كریستال نیمه‌رسانا در حدّ شعاع بور كوچك باشد، دیگر قواعد تودهٔ ماده بر آن حاكم نیست. در این حالت، دیگر نمی‌توان انرژی‌های مجاز را پیوسته در نظر گرفت و بین هر دو تراز انرژی فاصله می‌افتد. تحت این شرایط، مادهٔ 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 كه ترازهای انرژی در نقاط كوانتومی دیگر پیوسته نیستند، كاستن یا افزودن تعدادی اتم به نقطهٔ كوانتومی، باعث تغییر در حاشیهٔ گپ انرژی می‌شود. تغییر نحوهٔ چیده شدن اتم‌ها در سطح نقطهٔ كوانتومی هم باعث تغییر انرژی گپ می‌شود، كه باز هم به دلیل اندازهٔ بسیار كوچك این نقاط است. اندازهٔ گپ انرژی در نقطهٔ كوانتومی همیشه بزرگتر از حالت تودهٔ ماده است. یعنی الكترون‌ها برای جهش از روی گپ، باید انرژی بیشتری آزاد كنند. بنابراین، نور تابش‌شده هم باید طول موج كوتاه‌تری 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 كوانتومی می‌گردد.

● روش ساختن نقاط كوانتومی

برای ساختن نقاط كوانتومی می‌توان هم از روش‌های بالا به پایین و هم از روش‌های پایین به بالا استفاده كرد. روش‌های پایین به بالا امكان تولید انبوه و ارزان نقاط كوانتومی را ایجاد كرده‌اند. مزیت استفاده از روش‌های بالا به پایین، در امكان كنترل بیشتر محل نقاط كوانتومی و جاسازی آنها درون مدارهای الكترونیكی یا ابزارهای آزمایش است.

یكی از روش‌های پایین به بالا، سنتز كولوئیدی است. در این روش، نمك‌های فلزی به صورت محلول تحت شرایط كنترل‌شده، به حالت بلوری درمی‌آیند. مهمترین مرحله در این روش، جلوگیری از بزرگ شدن بیش از حد مطلوب این بلورهای نانومتری است كه با تغییر دما یا افزودن موادّ خاتمه‌دهندهٔ واكنش یا تثبیت‌كننده‌ها صورت می‌گیرد. در این حالت، برای جلوگیری از به‌هم‌پیوستن ذرات كوانتومی، آنها را با یك لایه از سورفَكتنت‌ها می‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقیق‌تر كنترل شوند ذرات یكنواخت‌تری به وجود می‌آیند.

سورفَكتنت‌ها موادی آلی هستند كه یك سر قطبی (آب‌گریز) و یك سر غیرقطبی (آب‌دوست) دارند. سر قطبی محلول در آب است، اما سر غیر قطبی در آب حل نمی‌شود و به همین علت این مواد همیشه به سطح آب می‌آیند و چون سطح آب محدود است، این مولكول‌ها یك لایهٔ نازكِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشكیل می‌دهند. به این خاصیت «خودساماندهی» می‌گویند. انواع مواد شوینده از این نوع‌اند. در مواد شوینده سر غیرقطبی به چربی‌ها و روغن‌ها می‌چسبد و در نتیجه می‌توانیم آنها را با آب بشوییم.

نوع خاصی از نشاندن لایه‌های نازك با استفاده از واكنش‌های الكتروشیمیایی هم از روش‌های دیگر پایین به بالا برای ساختن نقاط كوانتومی هستند.

در روش‌های بالا به پایین، نقاط كوانتومی به صورت نقطه به نقطه روی سطوح سیلیكون حك می‌شوند. این كار با استفاده از لیتوگرافی پرتو الكترونی یا لیتوگرافی قلم آغشته در ابعاد بسیار ریز امكان‌پذیر است. در این حالت، می‌توان به‌دقت محل قرارگیری نقاط كوانتومی را كنترل كرد و با طراحی مدارهای مناسب در اطراف آنها، بین یك یا چند نقطهٔ كوانتومی با دنیای ماكروسكوپی ارتباط برقرار نمود.

با استفاده از لیتوگرافی پرتو الكترونی می‌توان نقاط كوانتومی را در محل مشخصی حك كرد و با طراحی مدارهای مناسب اطراف آنها، بین یك یا چند نقطهٔ كوانتومی با دنیای ماكروسكوپی ارتباط برقرار نمود.

● كاربردهایی برای نقاط كوانتومی

۱) نشانگرهای بیولوژیكی

امكان تابش در فركانس‌های مطلوب، نقاط كوانتومی را ابزاری كارآمد برای نشانه‌گذاری و تصویربرداری از سلول‌های موجودات زنده ساخته است. می‌توان نقاط كوانتومی را به انتهای بیومولكول‌های بزرگ مانند پروتئین‌ها یا رشته‌های DNA متصل كرد و از آنها برای شناسایی و ردیابی بیماری‌های درون بدن موجودات زنده استفاده كرد. تنوع طول موج‌های تابش نقاط كوانتومی این امكان را فراهم آورده است كه همزمان چندین نشانگر را در اجزای سلول زنده به كار برد و از نحوه و میزان برهمكنش آنها مطلع شد.

پیش از این از مولكول‌های رنگی برای این كار استفاده می‌شد كه تنوع كمتری از نقاط كوانتومی از نظر رنگ‌ دارند و بیشتر باعث اختلال در فعالیت سلول‌های زنده می‌شوند و برای به‌كارگیری در درون بدن موجودات زنده مناسب نیستند.

۲) دیودهای نورانی سفید

قابلیت تنظیم اندازهٔ گپ انرژی با نقاط كوانتومی، این قابلیت را در اختیار ما می‌گذارد كه آنها را به عنوان دیود نورانی به كار بگیریم. به این ترتیب، می‌توان به بازهٔ بیشتری از رنگ‌ها دست یافت و منابع نور با كارآیی بسیار بالا ایجاد كرد. همچنین با تركیب نقاط كوانتومی با ابعاد مختلف، می‌توان منابع پربازده برای تولید نور سفید ایجاد كرد، زیرا همهٔ آنها را می‌توان از یك طریق برانگیخت.

می‌دانیم كه نور سفید را می‌توان به نورهایی با رنگ‌های مختلف تجزیه كرد؛ مانند همان چیزی كه در رنگین‌كمان مشاهده می‌كنیم.

معكوس این حالت هم امكان‌پذیر است، یعنی می‌توان با تركیب سه پرتو نوری یا بیشتر، با طول موج‌های مختلف، نوری تولید كرد كه سفید به نظر بیاید. با آنكه نقاط كوانتومی در ابعاد مختلف طول موج‌های مختلفی تابش می‌كنند، اما همهٔ آنها را می‌توان با یك پرتو نور دارای طول موجی در محدودهٔ ماورای بنفش تحریك كرد. درست مانند شكل (ارلن‌های رنگی) كه همهٔ محلول‌ها تحت تابش یك منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از این محلول‌ها، و حتی بیشتر، را مخلوط كنیم، با جذب نور ماورای بنفش، نور سفیدرنگی از خود ساطع می‌كنند. چون طیف تابشی نقاط كوانتومی بسیار باریكتر از لامپ‌های التهابی است، دیگر اتلاف انرژی به صورت نور مادون قرمز، كه در روشنایی لامپ بی‌تأثیر است، وجود ندارد. در نتیجه، منبع نور سفید با بازدهی بسیار بیشتری خواهیم داشت.

۳) اتم‌های مصنوعی

باردار كردن نقاط كوانتومی، به علت كوچكی، به سادگیِ باردار كردن اجسام بزرگ نیست. برای اضافه كردن هر الكترون به یك نقطهٔ كوانتومی، باید بر انرژی الكترواستاتیك بین الكترون‌های روی نقطهٔ كوانتومی غلبه كرد. این كار را با اِعمال میدان الكتریكی انجام می‌دهند. الكترون‌هایی كه به نقاط كوانتومی اضافه می‌شوند، در ترازهای گسستهٔ انرژی قرار می‌گیرند. این ترازها شبیه ترازهای مختلف اتم‌های عناصرند. به همین علت، به این نقاطِ كوانتومی باردارشده «اتم‌های مصنوعی» می‌گویند كه خواصی متفاوت از اتم‌های عناصر طبیعی دارند. این اتم‌ها، امروزه موضوع تحقیقات وسیعی هستند و تعدادی از آنها به نام اولین كسی كه این آزمایش‌ها را رویشان انجام داده، نامگذاری شده است.

۴) عناصر مدارهای نوری

یكی از اصلی‌ترین چالش‌های صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست كه 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 ویژهٔ نقاط كوانتومی، می‌تواند بر این مشكل فائق آید. نقاط كوانتومی همچنین قابلیت ایجاد لیزرهای كارآمدتر با اغتشاش كمتر برای ارتباطات سریع‌تر را فراهم می‌كنند.

۵) مولدهای انرژی خورشیدی

در نبود سوخت‌های فسیلی، یكی از منابع مهم تولید انرژی الكتریكی، تابش خورشید است. مشكل اصلیِ مولدهای كنونیِ انرژی خورشیدی، هزینهٔ بالا و كارآیی كمِ آنهاست. سلول‌های خورشیدی از موادّ نیمه‌رسانا تشكیل شده‌اند كه با جذب نور خورشید، الكترون‌ها را به ترازهای باند رسانش هدایت می‌كنند و به نحوی باعث ایجاد نیروی محركهٔ الكتریكی می‌شوند. بازدهی سلول‌های خورشیدی توسط طیف جذبی آنها كه جزو خواص ذاتی نیمه‌رساناهای توده‌ای است تعیین می‌شود. با طراحی نقاط كوانتومی كه بیشتر همپوشانی را در طیف جذبی با طیف نور خورشید داشته باشند، می‌توان بازدهی مولدهای انرژی خورشیدی را تا بیش از ۹۰ درصد افزایش داد.

نویسنده: سانلی پورفائز