Kvantum pontok

• Core-Type Quantum Dots
• Core-Shell kvantumpontok
• Alloyed Quantum Dots
• Kvantumpontok alkalmazásai
• Kapcsolódó termékek
• Referenciák

A kvantumpontok félvezető anyagból készült, 2-10 nanométer (10-50 atom) átmérőjű apró részecskék vagy nanokristályok. Először 1980-ban fedezték fel őket.¹ Egyedi elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek az ömlesztett félvezetők és a diszkrét molekulák tulajdonságai között helyezkednek el, és részben az ilyen részecskék szokatlanul nagy felület-térfogat arányának köszönhetőek.^2-4 Ennek legnyilvánvalóbb eredménye a fluoreszcencia, amelynek során a nanokristályok a részecskék méretétől függő, jellegzetes színeket képesek produkálni.

A kis méretük miatt az elektronok ezekben a részecskékben kis térbe (kvantumdobozba) vannak bezárva, és ha a félvezető nanokristály sugarai kisebbek, mint az exciton Bohr-sugara (az exciton Bohr-sugara az átlagos távolság a vezetési sávban lévő elektron és a valenciasávban hátrahagyott lyuk között), akkor az energiaszintek Pauli szerint kvantálódnak.kizárási elvének megfelelően (1. ábra)^5,6. E kvantumrészecskék diszkrét, kvantált energiaszintjei közelebb állnak az atomokhoz, mint az ömlesztett anyagokhoz, és ez vezetett ahhoz, hogy a "mesterséges atomok" becenevet kapták. Általában a kristály méretének csökkenésével nő a legmagasabb valenciasáv és a legalacsonyabb vezetési sáv közötti energiakülönbség. Ilyenkor több energiára van szükség a pont gerjesztéséhez, és ezzel párhuzamosan több energia szabadul fel, amikor a kristály visszatér alapállapotába, ami a kibocsátott fényben színeltolódást eredményez a vörösről a kékre. E jelenség eredményeként, ezek a nanoanyagok ugyanabból az anyagból bármilyen színű fényt képesek kibocsátani, egyszerűen a pont méretének megváltoztatásával. Továbbá, mivel az előállított nanokristályok mérete nagymértékben szabályozható, ezek a félvezető struktúrák a gyártás során úgy hangolhatók, hogy bármilyen színű fényt sugározzanak.⁷

A kvantumpontok összetételük és szerkezetük alapján különböző típusokba sorolhatók.

1. ábra. A kvantumpontok energiaszintjeinek felosztása a kvantumbezártsági hatás miatt, a félvezető sávhézag a nanokristály méretének csökkenésével nő.

Core-Type-quantum Dots

Megjelenés a következő oldalonEzek a nanopontok lehetnek egykomponensű, egységes belső összetételű anyagok, például fémek, például kadmium, ólom vagy cink kalcogenidjei (szelénidek, szulfidok vagy telluridok), például CdTe (termékszáma: CdTe). 777951) vagy PbS (747017). A magtípusú nanokristályok foto- és elektrolumineszcencia tulajdonságai a kristályméret egyszerű változtatásával finomhangolhatók.

Core-shell kvantumpontok

A kvantumpontok lumineszcens tulajdonságai az elektron-lyuk párok rekombinációjából (exciton-bomlás) származnak sugárzási utakon keresztül. Az excitonbomlás azonban nem sugárzási úton is bekövetkezhet, ami csökkenti a fluoreszcencia kvantumhozamát. A félvezető nanokristályok hatékonyságának és fényerejének javítására alkalmazott egyik módszer az, hogy egy másik, nagyobb sávhézagú félvezető anyagból készült héjat növesztenek köréjük. Ezeket a részecskéket, amelyekben az egyik anyag kis régiói egy másik, szélesebb sávhézagú anyagba ágyazódnak, maghéj-kvantumpontoknak (CSQD-k) vagy maghéj-félvezető nanokristályoknak (CSSNC-k) nevezik. Például a Sigma-Aldrich Materials Science-nél kapható, a magban CdSe-t és a héjban ZnS-t tartalmazó kvantumpöttyök (termékszámok: 748056, 790192) 50%-nál nagyobb kvantumhozamot mutatnak. A kvantumpontok héjjal való bevonása javítja a kvantumhozamot a nem sugárzó rekombinációs helyek passziválásával, és a különböző alkalmazásokban a feldolgozási körülményekkel szemben is ellenállóbbá teszi őket. Ezt a módszert széles körben vizsgálták a kvantumpontok fotofizikai tulajdonságainak beállítására.^8-10

Ötvözött kvantumpöttyök

A kvantumpöttyök egyik jellemzője lett az a képesség, hogy a kristallitméret változtatásával hangolhatók az optikai és elektronikus tulajdonságok. A tulajdonságok hangolása a kristallitméret változtatásával azonban számos méretkorlátozással járó alkalmazásban problémát okozhat. A többkomponensű pontok alternatív módszert kínálnak a tulajdonságok kristályméret változtatása nélküli hangolására. A homogén és gradiens belső szerkezettel rendelkező ötvözött félvezető nanopontok lehetővé teszik az optikai és elektronikus tulajdonságok hangolását pusztán az összetétel és a belső szerkezet megváltoztatásával, a kristályméret megváltoztatása nélkül. Például a 6 nm átmérőjű CdS_xSe_1-x/ZnS összetételű ötvözött kvantumpontok különböző hullámhosszúságú fényt bocsátanak ki pusztán az összetétel megváltoztatásával (termékszámok: CdS_xSe_1-x/ZnS). 753742, 753793) (2. ábra). A két különböző sávhézag-energiájú félvezető ötvözésével kialakított ötvözött félvezető kvantumpontok érdekes tulajdonságokat mutattak, amelyek nemcsak ömlesztett társaik tulajdonságaitól, hanem az anyafélvezető tulajdonságaitól is különböztek. Így az ötvözött nanokristályok a kvantumösszehúzódási hatások miatt kialakuló tulajdonságokon kívül újszerű és további, az összetételükkel szabályozható tulajdonságokkal rendelkeznek.¹¹

2. ábra. 6 nm átmérőjű ötvözött CdSxSe1-x/ZnS kvantumpontok fotolumineszcenciája. Az anyag az összetétel hangolásával különböző színű fényt bocsát ki.

Kvantumpöttyök alkalmazásai

Ezek a nagyon kicsi, félvezető kvantumpöttyök egyedi mérete és összetételük által hangolható elektronikus tulajdonságuk miatt nagyon vonzóak a legkülönbözőbb alkalmazások és új technológiák számára.¹²

A kvantumpontok különösen jelentősek az optikai alkalmazásokban, köszönhetően fényes, tiszta színeiknek, valamint a szivárványszínek kibocsátására való képességüknek, párosulva nagy hatásfokukkal, hosszabb élettartamukkal és magas extinkciós együtthatójukkal. Ilyen például a LED és a szilárdtest-világítás, a kijelzők és a fotovoltaika.^7,13,14


Mivel a kvantumpontok nulla dimenziósak, a magasabb dimenziós struktúráknál élesebb állapotsűrűséggel rendelkeznek. Kis méretük azt is jelenti, hogy az elektronoknak nem kell olyan messzire eljutniuk, mint a nagyobb részecskéknek, így az elektronikus eszközök gyorsabban működhetnek. Az ezeket az egyedülálló elektronikus tulajdonságokat kihasználó alkalmazások közé tartoznak például a tranzisztorok, a napelemek, az ultragyors, teljesen optikai kapcsolók és logikai kapuk, valamint a kvantumszámítás, sok más mellett.^13-15

A pöttyök kis mérete lehetővé teszi, hogy bárhová elférjenek a testben, így alkalmasak különböző bio-orvosi alkalmazásokhoz, például orvosi képalkotáshoz, bioszenzorokhoz stb. Jelenleg a fluoreszcencia alapú bioszenzorok széles spektrumszélességű szerves színezékektől függenek, ami a hatékonyságukat kis számú színre és rövidebb élettartamra korlátozza az ágensek jelölésére. Ezzel szemben a kvantumpontok a teljes spektrumot képesek kibocsátani, fényesebbek és idővel alig degradálódnak, így jobbnak bizonyulnak az orvosbiológiai alkalmazásokban használt hagyományos szerves színezékeknél.¹⁶

Hivatkozások:

1. Sreenivasan M. 1981. Cytology of a Spontaneous TriploidCoffea CanephoraPierre ex Froehner. Caryologia. 34(3):345-349. https://doi.org/10.1080/00087114.1981.10796901

2. Kastner MA. 1993. Artificial Atoms. Physics Today. 46(1):24-31. https://doi.org/10.1063/1.881393

3. Ashoori RC. 1996. Electrons in artificial atoms. Nature. 379(6564):413-419. https://doi.org/10.1038/379413a0

4. Collier CP, Vossmeyer T, Heath JR. 1998. NANOCRYSTAL SUPERLATTICES. Annu. Rev. Phys. Chem.. 49(1):371-404. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.49.1.371

5. Reimann SM, Manninen M. Electronic structure of quantum dots. Rev. Mod. Phys.. 74(4):1283-1342. https://doi.org/10.1103/revmodphys.74.1283

6. Bawendi MG, Steigerwald ML, Brus LE. 1990. The Quantum Mechanics of Larger Semiconductor Clusters ("Quantum Dots"). Annu. Rev. Phys. Chem.. 41(1):477-496. https://doi.org/10.1146/annurev.pc.41.100190.002401

7. Yoffe AD. 2001. Semiconductor quantum dots and related systems: Electronic, optical, luminescence and related properties of low dimensional systems. Advances in Physics. 50(1):1-208. https://doi.org/10.1080/00018730010006608

8. Rao CNR, Müller A, Cheetham AK. 2004. The Chemistry of Nanomaterials. https://doi.org/10.1002/352760247x

9. Dorfs D, Eychmüller A. 2006. Multishell Semiconductor Nanocrystals. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 220(12):1539-1552. https://doi.org/10.1524/zpch.2006.220.12.1539

10. Smith AM, Nie S. 2009. Next-generation quantum dots. Nat Biotechnol. 27(8):732-733. https://doi.org/10.1038/nbt0809-732

11. Vastola G, Zhang Y, Shenoy VB. 2012. Experiments and modeling of alloying in self-assembled quantum dots. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 16(2):64-70. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2011.10.004

12. Vahala KJ. 2003. Optical microcavities. Nature. 424(6950):839-846. https://doi.org/10.1038/nature01939

13. Nirmal M, Brus L. 1999. Luminescence Photophysics in Semiconductor Nanocrystals. Acc. Chem. Res.. 32(5):407-414. https://doi.org/10.1021/ar9700320

14. Sargent EH. 2012. Colloidal quantum dot solar cells. Nature Photon. 6(3):133-135. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.33

15. Zhao Y, Burda C. Development of plasmonic semiconductor nanomaterials with copper chalcogenides for a future with sustainable energy materials. Energy Environ. Sci.. 5(2):5564-5576. https://doi.org/10.1039/c1ee02734d

16. Medintz IL, Uyeda HT, Goldman ER, Mattoussi H. 2005. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nature Mater. 4(6):435-446. https://doi.org/10.1038/nmat1390