ควอนตัมดอท
จุดควอนตัมเป็นอนุภาคขนาดเล็กหรือนาโนคริสตัลของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางในช่วง 2-10 นาโนเมตร (อะตอม 10-50 ตัว) พวกเขาถูกค้นพบครั้งแรกในปี 19801 พวกเขาแสดงคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ซ้ำกันกลางระหว่างเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากและโมเลกุลที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูงผิดปกติสำหรับอนุภาคเหล่านี้2-4 ผลที่เห็นได้ชัดที่สุดของเรื่องนี้คือการเรืองแสงซึ่งในนาโนคริสตัลสามารถผลิตสีที่โดดเด่นที่กำหนดโดยขนาดของอนุภาค
เนื่องจากมีขนาดเล็กอิเล็กตรอน 1 อนุภาคเหล่านี้จึงถูกกักไว้ในพื้นที่ขนาดเล็ก (กล่องควอนตัม) และเมื่อรัศมีของนาโนคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กกว่ารัศมีของโบห์รที่น่าตื่นเต้น (รัศมีของ Exciton Bohr คือระยะห่างเฉลี่ยระหว่างอิเล็กตรอนในแถบนำไฟฟ้าและรูที่มันทิ้งไว้ด้านหลังในแถบวาเลนซ์) มีปริมาณของระดับพลังงานตามหลักการยกเว้นของ Pauli (รูปที่ 1)5,6 ระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องและ เป็นเชิงปริมาณจะสัมพันธ์กับอนุภาคควอนตัมเหล่านี้อย่างใกล้ชิดกับอะตอมมากกว่าวัสดุจำนวนมากและส่งผลให้ฉัน nthem ถูกตั้งชื่อเล่นว่า ' อะตอมเทียม โดยทั่วไปเมื่อขนาดของคริสตัลลดลงความแตกต่างของพลังงานระหว่างแถบวาเลนซ์สูงสุดและแถบการนำต่ำสุดจะเพิ่มขึ้น จากนั้นจะต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการกระตุ้นจุดและพร้อมกันนั้นจะมีการปล่อยพลังงานมากขึ้นเมื่อคริสตัลกลับสู่สถานะพื้นส่งผลให้สีเปลี่ยนจากสีแดงเป็นสีน้ำเงินในแสงที่ยิงออกมา อันเป็นผลมาจากปรากฏการณ์นี้ วัสดุนาโนเหล่านี้สามารถปล่อยแสงสีใดๆจากวัสดุเดียวกันเพียงแค่เปลี่ยนขนาดจุด นอกจากนี้เนื่องจากระดับการควบคุมที่สูงกว่าขนาดของนาโนคริสตัลที่ผลิต โครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้สามารถปรับแต่งได้ในระหว่างการผลิตเพื่อปล่อยแสงสีใดๆ7
จุดควอนตัมสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆตามองค์ประกอบและโครงสร้างของพวกเขา
รูปที่ 1การแยกระดับพลังงานในจุดควอนตัมเนื่องจากผลการจำกัดควอนตัมช่องว่างของแถบเซมิคอนดักเตอร์จะเพิ่มขึ้นโดยมีขนาดของนาโนคริสตัลลดลง
Core-Type Quantum Dots
จุดนาโนเหล่านี้สามารถเป็นวัสดุส่วนประกอบเดียวที่มีองค์ประกอบภายในที่สม่ำเสมอเช่น chalcogenides (selenides, sulfides หรือ tellurides) ของโลหะเช่นแคดเมียมตะกั่วหรือสังกะสีเช่น CdTe (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 777951) หรือ PBS (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 747017) คุณสมบัติของภาพถ่ายและการเรืองแสงด้วยไฟฟ้าของนาโนคริสตัลชนิดแกนสามารถปรับได้อย่างละเอียดโดยเพียงแค่เปลี่ยนขนาดของผลึก
Core-Shell Quantum Dots
คุณสมบัติเรืองแสงของจุดควอนตัมเกิดจากการรวมตัวกันของคู่อิเล็กตรอนหลุม (สลายตัวตื่นเต้น) ผ่านทางเส้นทางรังสี อย่างไรก็ตามการสลายตัวของ exciton ยังสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีการที่ไม่ใช่รังสีซึ่งช่วยลดอัตราผลตอบแทนของควอนตัมฟลูออเรสเซนซ์ หนึ่งในวิธีการที่ใช้ในการปรับปรุงประสิทธิภาพและความสว่างของนาโนคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์กำลังเติบโตเปลือกของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างสูงกว่ารอบๆพวกเขา อนุภาคเหล่านี้ที่มีพื้นที่ขนาดเล็กของวัสดุหนึ่งที่ฝังอยู่ในอีกวัสดุหนึ่งที่มีช่องว่างแถบกว้างขึ้นเรียกว่าจุดควอนตัมของเปลือกหลัก (CSQDs) หรือเซมิคอนดักเตอร์นาโนคริสตัลของเปลือกหลัก (CSSNCs) ตัวอย่างเช่นจุดควอนตัมที่มี CdSe ในแกนและ ZnS ในเปลือก (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 748056 790192) ที่มีอยู่จากวิทยาศาสตร์วัสดุซิกม่า - อัลริชแสดงให้เห็นถึงผลผลิตควอนตัมมากกว่า 50% การเคลือบจุดควอนตัมด้วยเปลือกหอยช่วยเพิ่มผลผลิตควอนตัมโดยการผสมเว็บไซต์ที่ไม่ใช่การแผ่รังสีและยังทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการประมวลผลเงื่อนไขสำหรับการใช้งานต่างๆ วิธีการนี้ได้รับการสำรวจอย่างกว้างขวางว่าเป็นวิธีในการปรับคุณสมบัติ photophysical ของจุดควอนตัม8-10
Alloyed Quantum Dots
ความสามารถในการปรับแต่งคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์โดยการเปลี่ยนขนาดคริสตัลไลท์ได้กลายเป็นจุดเด่นของจุดควอนตัม อย่างไรก็ตามการปรับแต่งคุณสมบัติโดยการเปลี่ยนขนาดคริสตัลไลท์อาจทำให้เกิดปัญหาในการใช้งานจำนวนมากที่มีข้อจำกัดด้านขนาด จุดหลายองค์ประกอบมีวิธีทางเลือกในการปรับคุณสมบัติโดยไม่ต้องเปลี่ยนขนาดผลึก สารกึ่งตัวนำนาโนดอทผสมที่มีทั้งโครงสร้างภายในที่เป็นเนื้อเดียวกันและการไล่ระดับช่วยให้การปรับแต่งคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์โดยเพียงแค่เปลี่ยนองค์ประกอบและโครงสร้างภายในโดยไม่ต้องเปลี่ยนขนาดของผลึก ตัวอย่างเช่นจุดควอนตัมผสมขององค์ประกอบ CDSXSE1 x/ZnS ของเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 นาโนเมตรปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นแตกต่างกันโดยเพียงแค่เปลี่ยนองค์ประกอบ (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 753742 753793) (รูปที่ 2 จุดควอนตัมสารกึ่งตัวนำผสมที่เกิดขึ้นจากการผสมเซมิคอนดักเตอร์สองตัวเข้าด้วยกันด้วยพลังงานช่องว่างของวงที่แตกต่างกันแสดงคุณสมบัติที่น่าสนใจแตกต่างกันไม่เพียงแต่จากคุณสมบัติของคู่ค้าจำนวนมากของพวกเขาแต่ยังมาจากเซมิคอนดักเตอร์แม่ของพวกเขา ดังนั้นนาโนคริสตัลผสมมีคุณสมบัตินวนิยายและองค์ประกอบเพิ่มเติม - ไม่สามารถแยกออกจากคุณสมบัติที่เกิดขึ้นเนื่องจากผลกระทบการจำกัดควอนตัม11
รูปที่ 2Photoluminescence ของ Alloyed CdSxSe1-x/ZnS จุดควอนตัมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6 นาโนเมตร วัสดุจะปล่อยแสงสีที่แตกต่างกันโดยการปรับแต่งองค์ประกอบภาพ
Quantum Dots Applications
ขนาดและองค์ประกอบที่ไม่ซ้ำกัน tunable คุณสมบัติอิเล็กทรอนิกส์ของเหล่านี้ขนาดเล็กมากเซมิคอนดักเตอร์จุดควอนตัมทำให้พวกเขามากที่น่าสนใจสำหรับความหลากหลายของการใช้งานและเทคโนโลยีใหม่12
จุดควอนตัมมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้านออปติคอลเนื่องจากสีที่สดใสและบริสุทธิ์พร้อมกับความสามารถในการปล่อยสีรุ้งควบคู่ไปกับประสิทธิภาพสูงอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นและค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์สูง ตัวอย่างเช่นไฟ LED และไฟแบบโซลิดสเตทจอแสดงผลและแผงเซลล์แสงอาทิตย์7,13,14
เป็นศูนย์มิติจุดควอนตัมมีความหนาแน่นที่คมชัดของรัฐกว่าโครงสร้างมิติที่สูงขึ้น ขนาดที่เล็กยังหมายความว่าอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องเคลื่อนที่ไปไกลเท่ากับอนุภาคขนาดใหญ่ดังนั้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงสามารถทำงานได้เร็วขึ้น ตัวอย่างของการใช้งานที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ซ้ำกันเหล่านี้ได้แก่ทรานซิสเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์สวิตช์ออปติคอลและประตูลอจิกที่เร็วที่สุดและการคำนวณควอนตัมและอื่นๆอีกมากมาย13-15
จุดขนาดเล็กช่วยให้พวกเขาไปได้ทุกที่ในร่างกายทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ชีวภาพที่แตกต่างกันเช่นการถ่ายภาพทางการแพทย์ไบโอเซนเซอร์ฯลฯ ในปัจจุบันไบโอเซนเซอร์ที่ใช้ฟลูออเรสเซนซ์ขึ้นอยู่กับสีย้อมอินทรีย์ที่มีความกว้างสเปกตรัมกว้างซึ่งจำกัดประสิทธิภาพของพวกเขาให้มีจำนวนน้อยของสีและอายุการใช้งานที่สั้นลงในการแท็กตัวแทน ในทางกลับกันจุดควอนตัมสามารถปล่อยสเปกตรัมทั้งหมดมีความสว่างและมีการย่อยสลายน้อยเมื่อเวลาผ่านไปจึงพิสูจน์ให้เห็นได้ดีกว่าสีย้อมอินทรีย์แบบดั้งเดิมที่ใช้ในการใช้งานชีวการแพทย์16
เอกสารอ้างอิง:
เพื่ออ่านต่อ โปรดเข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชีใหม่
ยังไม่มีบัญชีใช่หรือไม่?