پژوهشگران نانوکریستال های نیمه رسانا موسوم به نقطه های کوانتومی را مهندسی کرده اند که فاقد فلزات سنگین سمی بوده و گسیلنده های نوری پر بازده‌ای هستند. این نانو ساختارها میتوانند در نمایشگرها، سلول های خورشیدی و دیودهای نور گسیل مورد استفاده قرار بگیرند.

کریستال های نیمه رسانا با نام نقطه های کوانتومی Quantum Dots (QDها) یکی از بزرگترین موفقیت های فناوری نانو تا به امروز بوده اند. از زمان ساخت اولیه آن ها در دهه 1980، QDها در بازه وسیعی از ادوات اپتوالکترونیک نقش داشته و QDهای معلق در محلول در بسیاری از تصویربرداریهای آزمایشگاهی و درون بدن، برچسب زنی و تکنیک های حسگری مورد استفاده قرار گرفته اند. اما قبل از اینکه توان بالقوه آن ها کاملا بالفعل شود باید دو مشکل فنی را برطرف کرد. اول، QDهای با پایه ی کادمیوم باید با مواد دیگری که نورگسیل های پربازده بوده و حاوی فلزات سمی سنگین نباشند جایگزین شوند. و دوم اینکه، به جای QDهای فسفری (موادی که از خود لومینسانس نشان می دهند) در تلویزیون ها باید از QDهای دیودی نورگسیل (LED) استفاده کرد تا مصرف برق کاهش یابد. وُن Won و همکارانش در مقاله شان در Nature در مورد QDهایی گزارش داده اند که چنین ویژگی هایی دارند.

طیف جذبی QDهای نانوکریستال بستگی به اندازه آن ها دارد. این ویژگی برای QDها در شیشه و محلول آبی به طور جداگانه کشف شد و ابتدا در اوایل دهه 1980 به طور کمّی توصیف شد. برای کاربردهای عملی، چنین خصلتی باید به نورلومینسانسِ وابسته به اندازه تبدیل شود. در این فرآیند، یک الکترون در تراز انرژی ظرفیت یک فوتون جذب کرده، به تراز انرژی رسانش می‌رود و یک حفره (جای خالی الکترون) به جا می‌گذارد. سپس حفره و الکترونِ نوربرانگیخته، بازترکیب شده و یک فوتون آزاد می‌کنند (شکل .(1.a

نورلومینسانس ابتدا با لایه نشانی سطوحِ QD با مولکول های ارگانیک و سپس با استفاده از QDهایی شامل یک هسته نیمه رسانا پوشیده در لایه ای از نیمه رسانایی با پهنای گاف زیاد- یعنی تفاوت انرژی بین ترازهای ظرفیت و رسانش- به دست آمد. در حالت دوم، تفاوت انرژی بین ترازهای پوسته و نیمه رسانای هسته مانع از فرار الکترون و حفره به سطح بیرونی شده و تولید نورلومینسانس ذاتی را امکانپذیر می‌سازد. در QDهای کادمیوم سلناید، طیف جذبی وابسته به اندازه و نورلومینسانس کل ناحیه طول موج مرئی از قرمز تا سبز تیره را می‌پوشاند.

برای رشد QDها با استفاده از تکنیک‌های فعلی، تولیدِ کوانتمِ نورلومینسانس (یعنی تعداد فوتون‌های تابش شده توسط QDها تقسیم بر تعداد فوتون‌های جذب شده) میتواند بسیار زیاد باشد. اما این تولید کوانتومِ بالا هنوز برای برخی کاربردها به قدر کافی خوب نیست. به عنوان مثال، تولید کوانتومِ کمتر از 100درصد با چشمک زنی blinking همراه است- پدیده‌ای که در آزمایش‌های تک QD مشاهده می‌شود و در آن شدت نورلومینسانس تحت یک تابش ثابت تغییر می‌کند). این چشمک زنی با فرآیندهای تصادفی مرتبط است که در آن‌ها QDها باردار شده و سپس بار خود از دست می‌دهند.

جفتِ الکترون-حفره در یک QD خنثی با نور برانگیخته شده و تنها با تابش یک فوتون می‌توانند بازترکیب شوند- به عبارت دیگر به وسیله نورلومینسانس. اما برانگیختگی نوری در یک QD باردار فرآیند بازترکیب دیگری را ایجاد می‌کند که به بازترکیب غیرتابشی آگر Augerمعروف است. در این فرآیند، انرژی جفتِ الکترون-حفره‌ی برانگیخته شده با نور به الکترون-حفره‌ی دیگری منتقل می‌شود و فوتون تابش نمی‌شود (شکل 1.b). برای QD های متداول که شامل یک هسته محصور شده در پوسته‌ای نازک است، آهنگ بازترکیب آگر اغلب بسیار بالاتر از نورلومینسانس است. در نتیجه، در بیشتر QD های باردار فرآیند اول کاملا دومی را خاموش می‌کند.

برای دستیابی به تولیدِ کوانتومِ نورلومینسانس نزدیک به 100 درصد باید بازترکیب آگر را متوقف کرد. یک راه این است که مانع از فرار الکترون-حفره‌های نوریِ تولید شده به سطح QD و باردار شدن آن بشویم. اینکار برای مثال با استفاده از QD هایی که پوسته ضخیمی دارند قابل انجام است. در مورد QD-LED ها خنثی بودن QD را میتوان با اطمینان از مشابه بودن رساناییِ الکترون و حفره کنترل کرد.

یک روش مکمل مهندسی کردن QDها برای داشتن یک پتانسیل قیدی نرم است; پروفایل انرژی-پتانسیلی که به شدت در سطح QD افزایش می‌یابد و لذا آهنگ بازترکیب آگر را کاهش می‌دهد. این پتانسیل را میتوان با تشکیل آلیاژی از مواد هسته و پوسته در مرز هسته-پوسته در QDها یا با استفاده از QDهای چند پوسته‌ای که در آن‌ها لایه بعدی پهنای گاف بیشتری از لایه قبلی دارد ایجاد کرد. تلاش‌های موفقی برای مهندسی چنین ‌QD هایی سال گذشته گزارش شد. اما علیرغم خواص اپتیکی فوق العاده‌ای که ساختارهای QD با پایه‌ی کادمیوم سلناید در تحقیقات قبلی داشتند هنوز تولیدِ کوانتومِ نورلومینسانس به 100 درصد نرسیده است.

وُن و همکارانش روش جدیدی را برای ساخت QDهای بدونِ فلز ابداع کرده‌اند که شامل یک هسته‌ی ایندیوم فسفایدِ یکنواخت و پوسته نازک خارجی از جنس سولفید روی است (شکل 1.c). این روش دارای دو مرحله متوالی برای رشد هسته است: افزودن اسید هیدروفلوریک برای خوردگیِ سطح هسته‌ی اکسید شده در حین رشد پوسته‌ی سلنایدِ رویِ اولیه و رشد سلنایدِ رویِ دما بالا در 340 درجه سانتی‌گراد.

QD ایجاد شده تقارن کروی زیادی دارد که یکی از شرایط لازم برای محقق شدن پتانسیل قیدی نرم است. هر حفره یا گوشه‌ی تیز در سطح یا مرز هسته-پوسته آهنگ بازترکیب غیرتابشی آگر را افزایش می‌دهد. بار داشتن یا نقایصی در لایه‌های عمقی هم منجر به چنین افزایشی می‌شود. نویسندگان مقاله دریافته‌اند که پوسته‌ی ضخیم سلنایدِ روی بازترکیب آگر را متوقف می‌کند. این مطلب پیشنهاد می‌کند که این مرز فوق العاده کیفیت بالایی دارد و نقص‌های کریستالی به نام نقایص انباشته در پوسته سلنایدِ روی وجود ندارند. تولید کوانتومِ نورلومینسانسِ ذاتی در این QDها 100 درصد است.

وُن و همکارانش از این QDها برای ساخت ابزارهای LED که در آن‌ها الکترون‌ها و حفره‌ها به جای برانگیختگی با نور، به داخل QD تزریق می‌شوند استفاده کردند. برای اینکه خنثی بودن QDها حفظ شود و انتقال الکترون و حفره‌ها به LEDها بهتر شود، نویسندگان مولکول‌های زنجیره-بلند را با زنجیره-کوتاه‌ها تعویض کرده‌اند. بازدهی کوانتومی خارجی (تعداد فوتون‌هایی که از LED خارج می‌شوند تقسیم بر تعداد بارهای تزریق شده به آن) برای این QD-LED 4/21 درصد است که بیشینه مقدار نظری است. تزریق بهبود یافته و انتقال بار مقاومت الکتریکی جمع شده در طی عملکرد و مصرف برق را کاهش داده و طول عمر ابزار LED را افزایش می‌دهد.

این تحقیق نشان می‌دهد که درک جزئیات خواص فیزیکی در QDها که در طی بیش از 30 سال گردآوری شده است اکنون به ما اجازه‌ی مهندسی QD ها را برای کاربردهای چندگانه و معکوس می‌دهد. این موارد تلویزیون‌ها، نمایشگر‌ها، LEDها و سلول‌های خورشیدی را شامل می‌شود.

منبع

Quantum dots realize their potential