Kropki kwantowe

• Kropki kwantowe typu rdzeniowego
• Kropki kwantowe typu rdzeń-powłoka
• Kropki kwantowe typu stop.
• Zastosowania kropek kwantowych
• Powiązane produkty
• Referencje

Kropki kwantowe to maleńkie cząsteczki lub nanokryształy materiału półprzewodnikowego o średnicach w zakresie 2-10 nanometrów (10-50 atomów). Zostały one po raz pierwszy odkryte w 1980 r. ¹ Wykazują one unikalne właściwości elektroniczne, pośrednie między właściwościami półprzewodników masowych i dyskretnych cząsteczek, które są częściowo wynikiem niezwykle wysokiego stosunku powierzchni do objętości dla tych cząstek.^2-4 Najbardziej widocznym rezultatem tego jest fluorescencja, w której nanokryształy mogą wytwarzać charakterystyczne kolory określone przez wielkość cząstek.

Ze względu na ich mały rozmiar, elektrony w tych cząsteczkach są zamknięte w małej przestrzeni (pudełku kwantowym), a gdy promień nanokryształu półprzewodnika jest mniejszy niż promień Bohra ekscytonu (promień Bohra ekscytonu to średnia odległość między elektronem w paśmie przewodnictwa a dziurą, którą pozostawia w paśmie walencyjnym), następuje kwantyzacja poziomów energetycznych zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego (F).Pauliego (Rysunek 1)^5,6.Dyskretne, skwantowane poziomy energii tych cząstek kwantowych odnoszą je bardziej do atomów niż materiałów objętościowych i spowodowały, że są one nazywane "sztucznymi atomami". Ogólnie rzecz biorąc, wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru kryształu wzrasta różnica energii między najwyższym pasmem walencyjnym a najniższym pasmem przewodnictwa. Do wzbudzenia kropki potrzeba wtedy więcej energii, a jednocześnie więcej energii jest uwalniane, gdy kryształ powraca do stanu podstawowego, co powoduje zmianę koloru emitowanego światła z czerwonego na niebieski. W wyniku tego zjawiska nanomateriały te mogą emitować dowolny kolor światła z tego samego materiału, po prostu zmieniając rozmiar kropki. Dodatkowo, ze względu na wysoki poziom kontroli nad rozmiarem wytwarzanych nanokryształów, te struktury półprzewodnikowe można dostroić podczas produkcji, aby emitowały dowolny kolor światła.⁷

Kropki kwantowe można podzielić na różne typy w oparciu o ich skład i strukturę.

Rysunek 1. Rozszczepienie poziomów energetycznych w kropkach kwantowych ze względu na efekt ograniczenia kwantowego, półprzewodnikowa przerwa wzrasta wraz ze zmniejszeniem rozmiaru nanokryształu.

Kropki kwantowe typu rdzeniowego

.Te nanokropki mogą być materiałami jednoskładnikowymi o jednolitym składzie wewnętrznym, takimi jak chalkogenki (selenki, siarczki lub tellurki) metali takich jak kadm, ołów lub cynk, na przykład CdTe (nr produktu. 777951) lub PbS (nr produktu 747017). Właściwości foto- i elektroluminescencyjne nanokryształów typu rdzeniowego można precyzyjnie dostroić, po prostu zmieniając rozmiar krystalitów.

Kropki kwantowe typu rdzeń-powłoka

Właściwości luminescencyjne kropek kwantowych wynikają z rekombinacji par elektron-dziura (rozpad ekscytonu) na drodze promienistej. Jednak rozpad ekscytonów może również zachodzić metodami nieradiacyjnymi, zmniejszając wydajność kwantową fluorescencji. Jedną z metod stosowanych w celu poprawy wydajności i jasności nanokryształów półprzewodnikowych jest wytwarzanie wokół nich powłok z innego materiału półprzewodnikowego o wyższej przerwie energetycznej. Te cząstki z małymi obszarami jednego materiału osadzonymi w innym o szerszej przerwie pasmowej są znane jako kropki kwantowe z powłoką rdzeniową (CSQD) lub nanokryształy półprzewodnikowe z powłoką rdzeniową (CSSNC). Na przykład kropki kwantowe z CdSe w rdzeniu i ZnS w powłoce (nr produktu 748056, 790192) dostępne w Sigma-Aldrich Materials Science wykazują ponad 50% wydajność kwantową. Powlekanie kropek kwantowych powłokami poprawia wydajność kwantową poprzez pasywację nieradiacyjnych miejsc rekombinacji, a także czyni je bardziej odpornymi na warunki przetwarzania w różnych zastosowaniach. Metoda ta była szeroko badana jako sposób na dostosowanie właściwości fotofizycznych kropek kwantowych.^8-10

.Stopowe kropki kwantowe

Możliwość dostrajania właściwości optycznych i elektronicznych poprzez zmianę wielkości krystalitów stała się cechą charakterystyczną kropek kwantowych. Jednak dostrajanie właściwości poprzez zmianę wielkości krystalitów może powodować problemy w wielu zastosowaniach z ograniczeniami wielkości. Kropki wieloskładnikowe oferują alternatywną metodę dostrajania właściwości bez zmiany rozmiaru krystalitów. Stopowe nanokropki półprzewodnikowe o zarówno jednorodnej, jak i gradientowej strukturze wewnętrznej umożliwiają dostrajanie właściwości optycznych i elektronicznych poprzez zmianę składu i struktury wewnętrznej bez zmiany wielkości krystalitów. Na przykład, stopowe kropki kwantowe o składzie CdS_xSe_1-x/ZnS o średnicy 6nm emitują światło o różnych długościach fali poprzez samą zmianę składu (Product Nos. 753742, 753793) (Rysunek 2). Stopione półprzewodnikowe kropki kwantowe utworzone przez stopienie dwóch półprzewodników o różnych energiach przerwy pasmowej wykazywały interesujące właściwości różniące się nie tylko od właściwości ich masowych odpowiedników, ale także od właściwości ich macierzystych półprzewodników. Tak więc nanokryształy stopowe posiadają nowe i dodatkowe właściwości, które można regulować w zależności od składu, oprócz właściwości, które pojawiają się z powodu efektów ograniczenia kwantowego.¹¹

Rysunek 2. Fotoluminescencja stopowych kropek kwantowych CdSxSe1-x/ZnS o średnicy 6 nm. Materiał emituje różne kolory światła poprzez dostrojenie składu.

Zastosowania kropek kwantowych

Unikalny rozmiar i skład tych bardzo małych, półprzewodnikowych kropek kwantowych sprawiają, że są one bardzo atrakcyjne dla różnych zastosowań i nowych technologii.¹²

Kropki kwantowe są szczególnie istotne w zastosowaniach optycznych ze względu na ich jasne, czyste kolory wraz z ich zdolnością do emitowania tęczy kolorów w połączeniu z ich wysoką wydajnością, dłuższym czasem życia i wysokim współczynnikiem ekstynkcji. Przykłady obejmują diody LED i oświetlenie półprzewodnikowe, wyświetlacze i fotowoltaikę.^7,13,14

Będąc zerowymiarowymi, kropki kwantowe mają ostrzejszą gęstość stanów niż struktury o wyższych wymiarach. Ich niewielki rozmiar oznacza również, że elektrony nie muszą pokonywać tak dużych odległości, jak w przypadku większych cząstek, dzięki czemu urządzenia elektroniczne mogą działać szybciej. Przykłady zastosowań wykorzystujących te unikalne właściwości elektroniczne obejmują tranzystory, ogniwa słoneczne, ultraszybkie przełączniki całkowicie optyczne i bramki logiczne oraz obliczenia kwantowe i wiele innych.^13-15

Niewielki rozmiar kropek pozwala im dotrzeć w dowolne miejsce w ciele, dzięki czemu nadają się do różnych zastosowań biomedycznych, takich jak obrazowanie medyczne, biosensory itp. Obecnie biosensory oparte na fluorescencji zależą od barwników organicznych o dużej szerokości spektralnej, co ogranicza ich skuteczność do niewielkiej liczby kolorów i krótszych czasów życia do oznaczania czynników. Z drugiej strony, kropki kwantowe mogą emitować całe spektrum, są jaśniejsze i mają niewielką degradację w czasie, co czyni je lepszymi od tradycyjnych barwników organicznych stosowanych w zastosowaniach biomedycznych.¹⁶

Referencje:

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