ควอนตัมดอตและนาโนคริสตัล

ควอนตัมดอตเป็นสารกึ่งตัวนำนาโนคริสตัลที่มีขนาดเล็กพอที่การกักขังอิเล็กตรอนทำให้คุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ขึ้นอยู่กับขนาด ดังนั้นสีของการดูดกลืนและการปล่อยแสงสามารถปรับได้โดยการควบคุมวิธีการเติบโตของผลึก

Definition

ควอนตัมดอตคือสารกึ่งตัวนำนาโนคริสตัล โดยทั่วไปมีขนาดไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งพาหะประจุถูกกักขังในทั้งสามมิติ ทำให้ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์เป็นแบบไม่ต่อเนื่องและขึ้นอยู่กับขนาด ซึ่งให้คุณสมบัติทางแสงที่อยู่ระหว่างโมเลกุลและของแข็งขนาดใหญ่

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมสารกึ่งตัวนำนาโนคริสตัลแบบศูนย์มิติ: ฟิสิกส์ของการกักขังควอนตัมที่ขยายช่องว่างพลังงาน (band gap) ที่มีประสิทธิภาพเมื่อขนาดลดลง; การสังเคราะห์แบบ hot-injection แบบคอลลอยด์และการสังเคราะห์ที่เกี่ยวข้องที่ผลิตผลึกที่มีขนาดและรูปร่างที่ควบคุมได้และเกือบจะเป็นเอกพันธ์ (monodisperse); โครงสร้างแบบ core-shell ที่ช่วยปรับปรุงการปล่อยแสง; เคมีของลิแกนด์บนพื้นผิว; และคุณสมบัติทางแสง — การเรืองแสงที่ปรับขนาดได้ (size-tunable photoluminescence) และการดูดกลืนแสงแบบเอ็กซิตอนที่คมชัด — ที่ทำให้มีประโยชน์

Core questions

• การกักขังควอนตัมทำให้นาโนคริสตัลมีคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับขนาดได้อย่างไร
• นาโนคริสตัลแบบเอกพันธ์ถูกสังเคราะห์ในสารละลายได้อย่างไร
• เหตุใดโครงสร้างแบบ core-shell จึงช่วยปรับปรุงการปล่อยแสงของควอนตัมดอต
• เคมีของลิแกนด์บนพื้นผิวส่งผลต่อความเสถียรและการทำงานของนาโนคริสตัลอย่างไร

Key concepts

• การกักขังควอนตัม
• รัศมีบอร์ของเอ็กซิตอน
• การสังเคราะห์แบบ Hot-injection
• นาโนคริสตัลแบบ Core-shell
• ลิแกนด์บนพื้นผิว
• การเรืองแสงที่ปรับขนาดได้

Key theories

การกักขังควอนตัมและช่องว่างพลังงานที่ปรับขนาดได้

เมื่อผลึกสารกึ่งตัวนำมีขนาดเล็กกว่าขนาดเอ็กซิตอนตามธรรมชาติ พาหะจะถูกกักขังและพลังงานที่อนุญาตจะกลายเป็นแบบไม่ต่อเนื่อง; ช่องว่างพลังงานที่มีประสิทธิภาพจะเพิ่มขึ้นเมื่อผลึกหดตัว ดังนั้นการปล่อยและการดูดกลืนแสงจะเปลี่ยนไปอย่างต่อเนื่องตามขนาดอนุภาค

การสังเคราะห์แบบคอลลอยด์และการควบคุมรูปร่าง

การก่อตัวของนิวเคลียสอย่างรวดเร็วตามด้วยการเติบโตที่ควบคุมได้ในตัวทำละลายประสานงานที่ร้อนจะให้ผลเป็นนาโนคริสตัลที่เกือบจะเป็นเอกพันธ์; การปรับเปลี่ยนสารลดแรงตึงผิวและสภาวะจะควบคุมรูปร่างและพื้นผิวที่สัมผัส ซึ่งเป็นการปรับคุณสมบัติทางแสงและพื้นผิว

Mechanisms

การกระตุ้นด้วยแสงสร้างคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลที่ถูกกักขัง (เอ็กซิตอน) ซึ่งการรวมตัวกันใหม่จะปล่อยโฟตอนที่พลังงานที่กำหนดโดยช่องว่างพลังงานที่ถูกกักขัง; กับดักบนพื้นผิวและพันธะที่ห้อยอยู่ (dangling bonds) เปิดช่องทางที่ไม่ใช่การแผ่รังสี ซึ่งเปลือกที่มีช่องว่างพลังงานที่กว้างกว่าจะทำให้เฉื่อย (passivates) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการปล่อยแสง

Clinical relevance

การปล่อยแสงที่ปรับขนาดได้ สว่าง และคงทนต่อแสง (photostable) ทำให้ควอนตัมดอตมีคุณค่าในการใช้งานกับไฟแบ็คไลท์ของจอแสดงผลและหน้าจออิเล็กโทรลูมิเนสเซนต์ ในการติดฉลากด้วยฟลูออเรสเซนต์และการถ่ายภาพทางชีวภาพ และเป็นตัวดูดซับและปล่อยแสงในเซลล์แสงอาทิตย์และอุปกรณ์เปล่งแสง

History

บรัส (Brus) ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ได้อธิบายการขึ้นอยู่กับขนาดของสเปกตรัมทางแสงของนาโนคริสตัลในแง่ของการกักขังควอนตัม การพัฒนาการสังเคราะห์แบบ hot-injection แบบคอลลอยด์ในทศวรรษ 1990 โดยบาวเวนดี (Bawendi) และคนอื่นๆ ทำให้ได้นาโนคริสตัลที่มีคุณภาพสูงและเกือบจะเป็นเอกพันธ์ และบทความทบทวนของอลิวิซาตอส (Alivisatos) ในปี 1996 ได้รวมรวมสาขาวิชานี้ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาจอแสดงผลควอนตัมดอตเชิงพาณิชย์และโพรบสำหรับการถ่ายภาพทางชีวภาพ

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Louis Brus
• Moungi Bawendi

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005

Frequently asked questions

คำว่า 'ควอนตัม' ในควอนตัมดอตหมายถึงอะไร

หมายถึงการกักขังควอนตัม: ดอตมีขนาดเล็กพอที่อิเล็กตรอนและโฮลที่มีลักษณะเป็นคลื่นถูกบีบอัดให้อยู่ในพื้นที่ที่เทียบเท่ากับขนาดธรรมชาติของพวกมัน ซึ่งทำให้พลังงานของพวกมันถูกควอนไทซ์เป็นระดับที่ไม่ต่อเนื่องและขึ้นอยู่กับขนาด แทนที่จะเป็นแถบพลังงานต่อเนื่องของผลึกขนาดใหญ่

เหตุใดควอนตัมดอตแบบ core-shell จึงสว่างกว่าคอร์เปล่า

อะตอมบนพื้นผิวของนาโนคริสตัลเปล่ามีพันธะที่ไม่สมบูรณ์ซึ่งดักจับพาหะและลดการปล่อยแสง การปลูกเปลือกบางๆ ของสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานที่กว้างกว่าจะกักขังพาหะไว้ภายในคอร์และทำให้พื้นผิวเฉื่อย ซึ่งจะเพิ่มสัดส่วนของการกระตุ้นที่ปล่อยแสงได้อย่างมาก