نقاط كوانتومي، روش‌هاي ساخت و كاربرده

نقاط كوانتومي ــ يا نانوكريستال‌ها ــ در دستة نيمه‌رساناها جاي مي‌گيرند. نيمه‌رساناها اساس صنايع الكترونيك جديد هستند و در ابزارهايي مانند ديودهاي نوري و رايانه‌هاي خانگي به كار گرفته مي‌شوند. اهميت نيمه‌رساناها در اين است كه رسانايي الكتريكي اين مواد را مي‌توان با محرك‌هاي خارجي مانند ميدان الكتريكي يا تابش نور تغيير داد، تا حدي كه از نارسانا به رسانا تبديل شوند و مانند يك كليد عمل كنند. اين خاصيت، نيمه‌رساناها را به يكي از اجزاي حياتي انواع مدارهاي الكتريكي و ابزارهاي نوري تبديل كرده است.
نقاط كوانتومي، به خاطر كوچك بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل كنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد كوچك، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در كاربردهاي علمي و فني به نقاط كوانتومي مي‌بخشد.

كارآيي نقاط كوانتومي به خاطر قابل تنظيم بودن طول موجي است كه بيشترين شدت نور را تابش مي‌كند. وقتي نقاط كوانتومي را با محرك نور ماوراي بنفش وادار به تابش كنيم، اين طول موج، رنگ نقاط كوانتومي را مشخص مي‌كند (شكل). مقدار اين طول موج به جنس و اندازة نقاط كوانتومي بسيار حساس است و روش‌هاي جديد در فناوري نانو، به توليدكنندگان آنها توانايي زيادي در كنترل دقيق اين طول موج بخشيده است. اين خاصيت مهم نقاط كوانتومي، فقط با مكانيك كوانتومي قابل توصيف است كه در ادامه به آن اشاره مي‌كنيم.
الكترون‌ها در مواد نيمه‌رسانا ــ در اندازه‌هاي بسيار بزرگتر از 10 نانومتر ــ بازة مشخصي از انرژي را دارند. وقتي يك الكترون انرژي متفاوتي از الكترون ديگر دارد، گفته مي‌شود كه در يك تراز انرژي متفاوت قرار دارد. خاصيت ذاتي الكترون‌ها باعث مي‌شود كه بيش از دو الكترون نتوانند در يك تراز انرژي قرار بگيرند. در يك تودة بزرگ از مادة نيمه‌رسانا، ترازهاي انرژي بسيار نزديك هم هستند؛ آن‌قدر نزديك كه به صورت يك بازة پيوسته توصيف مي ‌شوند، يعني تفاوت انرژي دو تراز مجاور در حدّ صفر است.
خاصيت ديگر موادّ نيمه‌رسانا اين است كه درون بازة پيوستة انرژي‌هايش يك گپ (شكاف، فاصله) وجود دارد، يعني الكترون‌ها مجاز به داشتن انرژي در اين گپ نيستند. الكترون‌هايي كه ترازهاي پايين گپ را اشغال مي‌كنند «الكترون‌هاي ظرفيت در باند ظرفيت» و الكترون‌هاي ترازهاي بالاي گپ «الكترون‌هاي رسانش در باند رسانش» ناميده مي‌شوند.
در مواد نيمه‌رسانا به حالت توده‌اي، درصد بسيار كمي از الكترون‌ها در نوار رسانش قرار مي‌گيرند و بيشتر الكترون‌ها در نوار ظرفيت قرار مي‌گيرند، به طوري كه آنها را تقريباً پر مي‌كنند. همين پديده باعث مي‌شود كه موادّ نيمه‌رسانا در حالت عادي (غير برانگيخته) نارساناي جريان الكتريكي باشند. اگر الكترون‌هاي بيشتري بخواهند در باند رسانش قرار گيرند، بايد انرژي كافي براي بالارفتن از گپ انرژي دريافت كنند. تحريك با نور، ميدان الكتريكي يا گرما مي‌تواند تعدادي از الكترون‌ها را از نوار ظرفيت به نوار رسانش بفرستد. در اين حالت، تراز ظرفيتي كه خالي مي‌شود، «حفره» نام دارد، زيرا در طي اين رويداد، يك حفرة موقت در نوار ظرفيت به وجود مي‌آيد.
تحريكي كه باعث جهش الكترون از نوار ظرفيت به نوار رسانش و ايجاد حفره مي‌شود، بايد انرژي‌اي بيش از پهناي گپ داشته باشد. انرژي پهناي گپ در نيمه‌رساناهاي توده‌اي، مقدار ثابتي است كه تنها به تركيب آن مواد بستگي دارد. الكترون‌هايي كه به نوار رسانش برانگيخته شده‌اند، بعد از مدتي دوباره به نوار ظرفيت برمي‌گردند. در اين بازگشت، ابتدا الكترون‌ها جهش‌هاي بسيار كوچكي مي‌كنند و از طريق لرزش‌هاي گرمايي انرژي‌شان را به باقي تودة ماده منتقل مي‌نمايند كه در نتيجه انرژي به پايين‌ترين تراز سطح در نوار رسانش مي‌رسد و سپس با تابش انرژي به صورت نور، به نوار ظرفيت منتقل مي‌شوند. از آنجا كه گپ انرژي نيمه‌رسانا كاملاً معين است، نور تنها در طول موج معيني تابش مي‌شود.

در نقاط كوانتومي امكان تغيير اندازة گپ انرژي وجود دارد. مي‌توان با اين امكان، طول موج نور تابش‌شده را تنظيم كرد. نقاط كوانتومي هم از موادّ نيمه‌رسانا تشكيل شده‌اند. الكترون‌ها در نقاط كوانتومي بازه‌اي از انرژي‌ها را دارند. مفاهيم تراز انرژي، گپ انرژي، نوار رسانش و نوار ظرفيت هم هنوز معتبرند. با اين حال، يك تفاوت بارز وجود دارد: وقتي يك الكترون به نوار رسانش برانگيخته مي‌شود، بايد به طور حقيقي، مقداري هم در ماده جابه‌جا شود. اين فاصلة كوچك را به احترام نيلز بور، فيزيكدان دانماركي، «شعاع بور» مي‌نامند. در تودة ماده اين جابه‌جايي بسيار كوچكتر از ابعاد جسم است، به طوري كه الكترون به‌راحتي مي‌تواند در ماده به اندازة لازم جابه‌جا شود. اما اگر كريستال نيمه‌رسانا در حدّ شعاع بور كوچك باشد، ديگر قواعد تودة ماده بر آن حاكم نيست. در اين حالت، ديگر نمي‌توان انرژي‌هاي مجاز را پيوسته در نظر گرفت و بين هر دو تراز انرژي فاصله مي‌افتد. تحت اين شرايط، مادة نيمه‌رسانا ديگر خاصيت‌هاي حالت توده‌اي خود را از دست مي‌دهد. اين اختلاف تأثير زيادي روي شرايط جذب يا تابش نور در نيمه‌رسانا دارد.
از آنجا كه ترازهاي انرژي در نقاط كوانتومي ديگر پيوسته نيستند، كاستن يا افزودن تعدادي اتم به نقطة كوانتومي، باعث تغيير در حاشية گپ انرژي مي‌شود. تغيير نحوة چيده شدن اتم‌ها در سطح نقطة كوانتومي هم باعث تغيير انرژي گپ مي‌شود، كه باز هم به دليل اندازة بسيار كوچك اين نقاط است. اندازة گپ انرژي در نقطة كوانتومي هميشه بزرگتر از حالت تودة ماده است. يعني الكترون‌ها براي جهش از روي گپ، بايد انرژي بيشتري آزاد كنند. بنابراين، نور تابش‌شده هم بايد طول موج كوتاه‌تري داشته باشد، يا به اصطلاح، انتقال به آبي يافته باشد. اين خاصيت باعث ايجاد قابليت تنظيم طول موج تابشي، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه براي نقاط كوانتومي مي‌گردد.

روش ساختن نقاط كوانتومي
براي ساختن نقاط كوانتومي مي‌توان هم از روش‌هاي بالا به پايين و هم از روش‌هاي پايين به بالا استفاده كرد. روش‌هاي پايين به بالا امكان توليد انبوه و ارزان نقاط كوانتومي را ايجاد كرده‌اند. مزيت استفاده از روش‌هاي بالا به پايين، در امكان كنترل بيشتر محل نقاط كوانتومي و جاسازي آنها درون مدارهاي الكترونيكي يا ابزارهاي آزمايش است.
يكي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز كولوئيدي است. در اين روش، نمك‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط كنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است كه با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واكنش يا تثبيت‌كننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات كوانتومي، آنها را با يك لايه از سورفَكتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر كنترل شوند ذرات يكنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.

سورفَكتنت‌ها موادي آلي هستند كه يك سر قطبي (آب‌گريز) و يك سر غيرقطبي (آب‌دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است، اما سر غير قطبي در آب حل نمي‌شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي‌آيند و چون سطح آب محدود است، اين مولكول‌ها يك لاية نازكِ به‌هم‌فشرده و منظم را تشكيل مي‌دهند. به اين خاصيت «خودساماندهي» مي‌گويند. انواع مواد شوينده از اين نوع‌اند. در مواد شوينده سر غيرقطبي به چربي‌ها و روغن‌ها مي‌چسبد و در نتيجه مي‌توانيم آنها را با آب بشوييم.

نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازك با استفاده از واكنش‌هاي الكتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط كوانتومي هستند.
در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط كوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليكون حك مي‌شوند. اين كار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الكتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امكان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط كوانتومي را كنترل كرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يك يا چند نقطة كوانتومي با دنياي ماكروسكوپي ارتباط برقرار نمود.

با استفاده از ليتوگرافي پرتو الكتروني مي‌توان نقاط كوانتومي را در محل مشخصي حك كرد و با طراحي مدارهاي مناسب اطراف آنها، بين يك يا چند نقطة كوانتومي با دنياي ماكروسكوپي ارتباط برقرار نمود.

كاربردهايي براي نقاط كوانتومي
1. نشانگرهاي بيولوژيكي
امكان تابش در فركانس‌هاي مطلوب، نقاط كوانتومي را ابزاري كارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط كوانتومي را به انتهاي بيومولكول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل كرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده كرد. تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط كوانتومي اين امكان را فراهم آورده است كه همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به كار برد و از نحوه و ميزان برهمكنش آنها مطلع شد.
پيش از اين از مولكول‌هاي رنگي براي اين كار استفاده مي‌شد كه تنوع كمتري از نقاط كوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌كارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند.

2. ديودهاي نوراني سفيد
قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط كوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد كه آنها را به عنوان ديود نوراني به كار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازة بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با كارآيي بسيار بالا ايجاد كرد. همچنين با تركيب نقاط كوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد كرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يك طريق برانگيخت.
مي‌دانيم كه نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه كرد؛ مانند همان چيزي كه در رنگين‌كمان مشاهده مي‌كنيم. معكوس اين حالت هم امكان‌پذير است، يعني مي‌توان با تركيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد كرد كه سفيد به نظر بيايد. با آنكه نقاط كوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌كنند، اما همة آنها را مي‌توان با يك پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريك كرد. درست مانند شكل (ارلن‌هاي رنگي) كه همة محلول‌ها تحت تابش يك منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط كنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌كنند. چون طيف تابشي نقاط كوانتومي بسيار باريكتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، كه در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.

3. اتم‌هاي مصنوعي
باردار كردن نقاط كوانتومي، به علت كوچكي، به سادگيِ باردار كردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه كردن هر الكترون به يك نقطة كوانتومي، بايد بر انرژي الكترواستاتيك بين الكترون‌هاي روي نقطة كوانتومي غلبه كرد. اين كار را با اِعمال ميدان الكتريكي انجام مي‌دهند. الكترون‌هايي كه به نقاط كوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ كوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند كه خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين كسي كه اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.

4. عناصر مدارهاي نوري
يكي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست كه در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط كوانتومي، مي‌تواند بر اين مشكل فائق آيد. نقاط كوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي كارآمدتر با اغتشاش كمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌كنند.

5. مولدهاي انرژي خورشيدي
در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يكي از منابع مهم توليد انرژي الكتريكي، تابش خورشيد است. مشكل اصليِ مولدهاي كنونيِ انرژي خورشيدي، هزينة بالا و كارآيي كمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشكيل شده‌اند كه با جذب نور خورشيد، الكترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌كنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محركة الكتريكي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها كه جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود. با طراحي نقاط كوانتومي كه بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي مولدهاي انرژي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.