نقاط کوانتومی چیست و چه کاربرد هایی دارد؟
داستان نقاط کوانتومی یا کوانتوم دات از جایی شروع شد که دانشمندان به فکر کوچک کردن مواد نیمهرسانا افتادند. آنها میخواستند ببینند اگر ابعاد این مواد را به اندازه نانومتر (یک میلیاردم متر) برسانند، چه اتفاقی میافتد.
نتیجه این تحقیقات، کشف ذراتی به نام نقاط کوانتومی بود. کوانتوم دات، نانوکریستالهای نیمهرسانا هستند که قطرهایشان در حد چند نانومتر است. این ذرات به قدری کوچک هستند که قوانین فیزیک کوانتومی بر آنها حاکم میشود.
یکی از مهمترین ویژگیهای کوانتوم دات، خواص نوری و الکترونیکی منحصر به فردشان است. وقتی به این ذرات نور یا برق میدهیم، نور رنگی خاصی تولید میکنند. رنگ این نور به اندازه ذرات بستگی دارد. یعنی با تغییر اندازه ذرات، میتوان رنگ نور را هم تغییر داد.
این ویژگی نقاط کوانتومی، کاربردهای زیادی را ممکن کرده است. مثلاً، از آنها در نمایشگرهای تلویزیون و گوشیهای هوشمند استفاده میشود. یا در حسگرهای نوری و سلولهای خورشیدی.
علاوه بر این، کوانتوم دات ها پایداری فوتوشیمیایی بالایی دارند. یعنی نورشان به مرور زمان کم نمیشود. همچنین، میتوان ساختار آنها را به صورت هسته-پوسته طراحی کرد. یعنی یک لایه از مادهای را دور لایه دیگری بپیچانیم تا خواصشان را بهبود دهیم.
با وجود اینکه نقاط کوانتومی سالهاست که کشف شدهاند، هنوز هم یک حوزه تحقیقاتی فعال هستند. دانشمندان در حال کشف مواد جدید برای ساخت کوانتوم دات ها و کاربردهای جدیدی برای آنها هستند.
در ابتدا، بیشتر کوانتوم دات ها از موادی مانند سیلیکون، گالیوم آرسنید و ایندیم فسفید ساخته میشدند. اما امروزه، مواد متنوعتری برای این کار استفاده میشوند. مثلاً، از ترکیبات II-VI، I-III-VI، دیکالکوژنیدهای فلزات واسطه، پروسکایتها و کربن هم استفاده میشود.
کاربردهای نقاط کوانتومی بیشتر بر اساس خواص نوری آنهاست. یعنی از آنها برای تولید، تبدیل و تشخیص نور استفاده میشود. به همین دلیل، در زمینههای مختلفی مانند الکترونیک نوری، فوتونیک، زیستشناسی و پزشکی کاربرد دارند.
وقتی در مورد مواد نیمهرسانا و به خصوص کوانتوم دات ها صحبت میکنیم، اصطلاحات “ترکیبات II-VI” و “ترکیبات I-III-VI” به گروههایی از مواد اشاره دارند که از ترکیب عناصر مختلف جدول تناوبی به دست میآیند. این اعداد رومی (II، VI، I، III) به گروههای جدول تناوبی اشاره دارند که عناصر سازنده این ترکیبات از آنها انتخاب میشوند.
در اینجا توضیح سادهای از هر کدام ارائه میشود:
1. ترکیبات II-VI:
این ترکیبات از ترکیب یک عنصر از گروه II و یک عنصر از گروه VI جدول تناوبی تشکیل میشوند. مثالهایی از این ترکیبات شامل: CdSe (کادمیوم سلنید)، ZnS (روی سولفید) و CdTe (کادمیوم تلورید) هستند. این مواد به دلیل خواص نوری و الکترونیکی خاص خود، در ساخت نقاط کوانتومی و دستگاههای نوری کاربرد دارند.
2. ترکیبات I-III-VI:
این ترکیبات از ترکیب یک عنصر از گروه I، یک عنصر از گروه III و یک عنصر از گروه VI جدول تناوبی تشکیل میشوند. مثالهایی از این ترکیبات شامل: CuInS2 (مس ایندیم سولفید) هستند و این مواد نیز به دلیل خواص نوری خود، در ساخت کوانتوم دات ها و سلولهای خورشیدی کاربرد دارند.
چرا این گروهبندی مهم است؟
- این گروهبندی به دانشمندان کمک میکند تا خواص مواد را بر اساس عناصر سازنده آنها پیشبینی کنند.
- انتخاب عناصر مناسب از این گروهها، امکان کنترل خواص نوری و الکترونیکی نقاط کوانتومی را فراهم میکند.
- این امر به ساخت دستگاههای نوری و الکترونیکی با عملکرد بهتر کمک میکند.
به طور خلاصه، این اصطلاحات به دستهبندی مواد نیمهرسانا بر اساس عناصر سازنده آنها اشاره دارند و درک آنها برای مطالعه خواص و کاربردهای کوانتوم دات ها ضروری است.
نقاط کوانتومی برای دیودهای ساطعکننده نور (LEDs) و کاربردهای نمایشگر
اولین ال ای دی ها (دیودهای ساطعکننده نور) از مواد نیمهرسانای خاصی به نام III-V ساخته میشدند. این مواد به صورت لایههای نازک روی هم قرار میگرفتند. بعدها، دانشمندان متوجه شدند که میتوانند ذرات خیلی ریزی به نام نقاط کوانتومی را هم به این لایهها اضافه کنند تا نور ال ای دی ها بهتر شود.
کوانتوم دات ها مثل اتمهای مصنوعی عمل میکنند. یعنی وقتی به آنها برق میدهیم، نور رنگی خاصی تولید میکنند. کوانتوم دات ها که در الایدیها استفاده میشوند، معمولاً از جنس ایندیم آرسنید و گالیوم آرسنید هستند.
اما ساختن این کوانتوم دات ها کار سختی است. چون باید در دمای خیلی بالا ساخته شوند. این دمای بالا باعث میشود اتمهای ایندیم از سطح نقاط کوانتومی جدا شوند و کیفیت ال ای دی ها پایین بیاید.
برای حل این مشکل، دانشمندان دو لایه از کوانتوم دات ها را روی هم قرار دادند و روی آنها را با لایه نازکی از ماده دیگری پوشاندند. این کار باعث شد نور ال ای دی ها خیلی قویتر شود.
یکی دیگر از مشکلات این ال ای دی ها این است که بعد از ساختنشان، نمیتوان به راحتی آنها را بررسی کرد. دانشمندان روش جدیدی پیدا کردند که با استفاده از آن میتوانند لایههای خیلی نازکی از این ال ای دی ها را جدا کنند و با میکروسکوپهای خیلی قوی آنها را بررسی کنند.
دانشمندان دنبال موادی هستند که بتوانند نور رنگی خوبی تولید کنند، برای همین سراغ ذرات خیلی ریز به اسم نقاط کوانتومی رفتند. این ذرات آنقدر ریز هستند که خواصشان با مواد معمولی فرق میکند.
مطالعه بیشتر: ال ای دی های کوانتوم دات آبی: پیشرفتی در جهت نمایشگرهای روشنتر و پایدارتر
ساخت نقاط کوانتومی با مواد ارزان تر
قبلاً، بیشتر کوانتوم دات ها را از مواد خاصی به اسم III-V میساختند. اما این مواد گران هستند و ساختنشان هم سخت است. حالا دانشمندان مواد جدیدی پیدا کردند که میتوانند آن ها را ارزانتر بسازند.
یکی از این مواد جدید، ایندیم فسفید (InP) است. کوانتوم دات ها که از این ماده ساخته میشوند، نور رنگی خوبی تولید میکنند و میشود رنگ نورشان را هم تنظیم کرد. برای همین، برای ساخت ال ای دی ها و نمایشگرها خیلی مناسب هستند.
البته، نقاط کوانتومی InP یک مشکل هم دارند. سطحشان پر از نقص است. این نقصها باعث میشوند نور خوبی تولید نکنند. دانشمندان با استفاده از روشهای محاسباتی و آزمایشگاهی، سعی کردند این نقصها را برطرف کنند.
علاوه بر InP، مواد دیگری هم هستند که میتوان از آنها کوانتوم دات ها ساخت. مثلاً نقاط کوانتومی سیلیکن برای ساخت ال ای دی ها آبی مناسب هستند. یا نقاط کوانتومی سزیم سرب هالید برای ساخت ال ای دی ها که نور قرمز یا سبز تولید میکنند.
دانشمندان همچنین کشف کردند که میتوان کوانتوم دات ها را با مواد دیگری ترکیب کرد تا خواصشان بهتر شود. مثلاً ترکیب نقاط کوانتومی اکسید گرافن با گالیوم نیترید، باعث میشود نور گالیوم نیترید قویتر شود.
ساخت ال ای دی با نور سفید
دانشمندان میخواهند ال ای دی هایی بسازند که نور سفید تولید کنند. برای این کار، از ذرات خیلی ریزی به اسم کوانتوم دات استفاده میکنند.
قبلاً گفتیم که کوانتوم دات ذراتی هستند که وقتی به تحت یک جریان الکتریکی یا تابش نور و یا واکنش شیمیایی قرار می گیرند، نور رنگی تولید میکنند. حالا دانشمندان کشف کردند که میتوانند از ترکیب چند نوع نقطه کوانتومی، نور سفید هم تولید کنند.
یکی از موادی که برای ساخت این نقاط کوانتومی استفاده میشود، سزیم سرب برم (CsPbBr3) است. این ماده نور آبی تولید میکند. برای اینکه نور سفید داشته باشیم، باید نورهای رنگی دیگر را هم به آن اضافه کنیم.
دانشمندان همچنین کشف کردند که میتوانند کوانتوم دات ها را با مواد دیگری ترکیب کنند تا خواصشان بهتر شود. مثلاً ترکیب نقاط کوانتومی با بور نیترید، باعث میشود ال ای دی ها در برابر گرما مقاومتر شوند.
علاوه بر این، دانشمندان روشهای جدیدی برای ساخت کوانتوم دات پیدا کردند. مثلاً روشهایی که با استفاده از آنها میتوان نقاط کوانتومی را به صورت لایههای نازک روی هم قرار داد یا روشهایی که با استفاده از آنها میتوان کوانتوم دات را با مواد دیگر ترکیب کرد تا نورهای رنگی مختلف تولید کنند.
یکی از مزایای استفاده از کوانتوم دات ها این است که میتوان ال ای دی هایی ساخت که نور خیلی روشن و با کیفیت تولید میکنند. همچنین، میتوان ال ای دی های ساخت که مصرف انرژی کمی دارند و عمر طولانی دارند.
در نهایت، دانشمندان امیدوارند با استفاده از نقاط کوانتومی، بتوانند نسل جدیدی از الایدیها و نمایشگرها را بسازند که هم با کیفیتتر باشند و هم برای محیط زیست بهتر باشند.
فتوولتائیک (تبدیل نور به برق)
دانشمندان برای ساخت سلولهای خورشیدی کارآمدتر، از ذرات خیلی ریزی به نام نقاط کوانتومی استفاده میکنند. این ذرات به دلیل خواص ویژهای که دارند، میتوانند نور خورشید را بهتر جذب و به برق تبدیل کنند.
آنها مواد مختلفی را آزمایش میکنند، از جمله کوانتوم دات های ساخته شده از کادمیوم سولفید (CdS)، کادمیوم سلنید (CdSe) و سرب سولفید (PbS). همچنین، روشهای جدیدی برای بهبود عملکرد این نقاط کوانتومی پیدا میکنند، مانند:
- پوشاندن کوانتوم دات با لایههای نازکی از مواد دیگر (لیگاندها)
- استفاده از حلالهای خاص
- ترکیب نقاط کوانتومی با مواد دیگر مانند اکسید روی (ZnO)
علاوه بر این، از محاسبات کامپیوتری (DFT) برای طراحی کوانتوم دات ها بهتر استفاده میکنند. این محاسبات به آنها کمک میکند تا خواص مواد را در سطح اتمی پیشبینی کنند.
در نهایت، هدف این تحقیقات ساخت سلولهای خورشیدی ارزانتر، کارآمدتر و پایدارتر است که بتوانند انرژی پاک و تجدیدپذیر را به برق تبدیل کنند.
کاربرد نقاط کوانتومی در آشکارسازهای نوری
دانشمندان همچنین برای ساخت آشکارسازهای نوری بهتر، از نقاط کوانتومی استفاده میکنند. این آشکارسازها میتوانند نور را در طیفهای مختلف، از جمله فروسرخ و فرابنفش، تشخیص دهند.
آنها مواد مختلفی را برای ساخت این آشکارسازها آزمایش میکنند، از جمله کوانتوم دات ساخته شده از سرب سولفید (PbS)، سلنید نقره (Ag2Se)، دیسولفید تنگستن (WS2) و سزیم سرب برم (CsPbBr3).
همچنین، روشهای جدیدی برای بهبود عملکرد این آشکارسازها پیدا میکنند، مانند:
- استفاده از روشهای خاص برای اتصال مواد به نقاط کوانتومی (تبادل لیگاند)
- استفاده از روشهای خاص برای ساخت لایههای نازک نقاط کوانتومی
- ترکیب نقاط کوانتومی با مواد دیگر مانند گرافن و دیسولفید مولیبدن
این تحقیقات به ساخت آشکارسازهای نوری حساستر، سریعتر و کارآمدتر کمک میکند که میتوانند در کاربردهای مختلفی مانند تصویربرداری، سنجش از دور و ارتباطات استفاده شوند.
کاربردهای نقاط کوانتومی در زیستپزشکی و محیطی
نقاط کوانتومی به دلیل ویژگیهای خاصی که دارند، در زمینههای پزشکی و محیط زیست کاربردهای زیادی پیدا کردهاند. یکی از این ویژگیها، نور درخشان و رنگی است که تولید میکنند. همچنین، بسته به اینکه از چه موادی ساخته شده باشند، میتوانند سمی نباشند و با بدن انسان سازگار باشند.
تصویربرداری زیستی: دانشمندان از کوانتوم دات به عنوان برچسبهای فلورسنت استفاده میکنند. یعنی آنها را به سلولها یا مولکولهای خاصی میچسبانند و بعد با تاباندن نور، میتوانند آنها را ببینند. این روش برای تشخیص سرطان و مطالعه سلولها کاربرد دارد. مثلاً، کوانتوم دات فسفری فیبری برای تصویربرداری از تومورهای سرطانی استفاده شدهاند. یا کوانتوم دات CuInS2/ZnS برای نشانهگذاری و دیدن سلولها به کار میروند.
حسگری زیستی: نقاط کوانتومی میتوانند مواد شیمیایی خاصی را شناسایی کنند. برای همین، از آنها در حسگرهای زیستی استفاده میشود. مثلاً، از کوانتوم دات برای تشخیص یونهای فلزی سمی در آب آشامیدنی استفاده میشود. یا برای تشخیص مواد آلاینده در آب و فاضلاب. همچنین از انها برای تشخیص بیماری ها در خون و دیگر مایعات بدن استفاده می شود.
درمان: نقاط کوانتومی می توانند در درمان بیماری ها هم استفاده شوند. مثلا کوانتوم دات اکسید آهن می توانند در درمان سرطان استفاده شوند.
محیط زیست: نقاط کوانتومی میتوانند آلایندهها را از آب و هوا حذف کنند. مثلاً، از کوانتوم دات اکسید گرافن برای جذب مواد آلاینده از آب استفاده میشود.
نقاط کوانتومی به عنوان کاتالیز و سایر کاربردها
نقاط کوانتومی فقط در پزشکی و محیط زیست کاربرد ندارند، بلکه در صنایع دیگر هم استفاده میشوند.
کاتالیز: کوانتوم دات ها میتوانند به عنوان کاتالیزور عمل کنند. یعنی سرعت واکنشهای شیمیایی را افزایش دهند. کاتالیزور به موادی گفته می شود که باعث می شوند واکنش های شیمیایی سریع تر انجام شوند. مثلاً، از نقاط کوانتومی برای تولید هیدروژن از آب استفاده میشود. یا برای تبدیل مواد آلاینده به مواد بیضرر.
سایر کاربردها: کوانتوم دات ها میتوانند برای تشخیص نقص در مواد فلزی استفاده شوند. برای ساخت نانو برچسب های امنیتی استفاده می شوند. یا برای ساخت دماسنج های خیلی ریز.
به طور خلاصه، کوانتوم دات ها به دلیل خواص منحصر به فردشان، در زمینههای مختلفی کاربرد دارند و دانشمندان همچنان در حال کشف کاربردهای جدیدی برای آنها هستند.
خلاصه
نقاط کوانتومی نانوکریستالهای نیمهرسانایی هستند که به دلیل ابعاد بسیار کوچکشان تحت تأثیر قوانین فیزیک کوانتومی قرار میگیرند. این ذرات خواص نوری و الکترونیکی منحصربهفردی دارند که رنگ نور آنها وابسته به اندازهشان است. این ویژگی باعث شده که کوانتوم دات ها در نمایشگرهای تلویزیون، حسگرهای نوری، سلولهای خورشیدی و زیستپزشکی کاربرد داشته باشند.
در ساخت LEDها، این نقاط باعث بهبود کیفیت نور و کارایی بیشتر میشوند. همچنین، در سلولهای خورشیدی به افزایش بازدهی تبدیل نور به برق کمک میکنند. نقاط کوانتومی در حسگرهای زیستی برای تشخیص مواد شیمیایی و در تصویربرداری پزشکی برای ردیابی سلولها استفاده میشوند.
علاوه بر این، از آنها در حوزه محیطزیست برای حذف آلایندهها و در صنایع شیمیایی بهعنوان کاتالیزور بهره میبرند. پژوهشها همچنان در حال پیشرفت است تا مواد جدید و کاربردهای بیشتری برای این ذرات کشف شود.
منابع مطالعاتی
Quantum Dots and Their Applications: What Lies Ahead by Mônica A. Cotta ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 4920−4924
دیدگاهتان را بنویسید