Chấm lượng tử và Tinh thể nano

Chấm lượng tử là các tinh thể nano bán dẫn đủ nhỏ để sự giam giữ các điện tử của chúng làm cho các tính chất quang học và điện tử của chúng phụ thuộc vào kích thước, do đó màu sắc hấp thụ và phát xạ có thể được điều chỉnh bằng cách kiểm soát cách các tinh thể được nuôi cấy.

Definition

Chấm lượng tử là một tinh thể nano bán dẫn, thường có kích thước vài nanomet, trong đó các hạt tải điện bị giam giữ trong cả ba chiều, do đó các mức năng lượng điện tử của nó là rời rạc và phụ thuộc vào kích thước, mang lại các tính chất quang học trung gian giữa phân tử và chất rắn khối.

Scope

Chủ đề này bao gồm các tinh thể nano bán dẫn không chiều: vật lý giam giữ lượng tử làm mở rộng vùng cấm hiệu dụng khi kích thước giảm; các phương pháp tổng hợp tiêm nóng keo và các phương pháp liên quan tạo ra các tinh thể gần như đơn phân tán với kích thước và hình dạng được kiểm soát; cấu trúc vỏ lõi giúp cải thiện phát xạ; hóa học phối tử bề mặt; và các tính chất quang học — quang phát quang có thể điều chỉnh theo kích thước và hấp thụ exciton sắc nét — làm cho chúng trở nên hữu ích.

Core questions

• Giam giữ lượng tử làm cho các tính chất của tinh thể nano phụ thuộc vào kích thước như thế nào?
• Các tinh thể nano đơn phân tán được tổng hợp trong dung dịch như thế nào?
• Tại sao cấu trúc vỏ lõi cải thiện phát xạ của chấm lượng tử?
• Hóa học phối tử bề mặt ảnh hưởng đến sự ổn định và chức năng của tinh thể nano như thế nào?

Key concepts

• Giam giữ lượng tử
• Bán kính Bohr của exciton
• Tổng hợp tiêm nóng
• Tinh thể nano vỏ lõi
• Phối tử bề mặt
• Quang phát quang có thể điều chỉnh theo kích thước

Key theories

Giam giữ lượng tử và vùng cấm có thể điều chỉnh theo kích thước

Khi một tinh thể bán dẫn nhỏ hơn kích thước exciton tự nhiên, các hạt tải điện bị giam giữ và các năng lượng cho phép trở nên rời rạc; vùng cấm hiệu dụng tăng lên khi tinh thể co lại, do đó phát xạ và hấp thụ dịch chuyển liên tục theo kích thước hạt.

Tổng hợp keo và kiểm soát hình dạng

Sự tạo mầm nhanh chóng sau đó là sự phát triển có kiểm soát trong các dung môi phối hợp nóng tạo ra các tinh thể nano gần như đơn phân tán; việc thay đổi các chất hoạt động bề mặt và điều kiện kiểm soát hình dạng và các mặt phơi ra, điều chỉnh các tính chất quang học và bề mặt.

Mechanisms

Kích thích quang tạo ra một cặp điện tử-lỗ trống bị giam giữ (exciton) mà sự tái hợp của chúng phát ra một photon ở một năng lượng được thiết lập bởi vùng cấm bị giam giữ; các bẫy bề mặt và liên kết lơ lửng mở ra các đường không bức xạ, mà một vỏ có vùng cấm rộng hơn sẽ thụ động hóa để tăng hiệu suất phát xạ.

Clinical relevance

Phát xạ có thể điều chỉnh theo kích thước, sáng, ổn định quang làm cho các chấm lượng tử có giá trị trong đèn nền màn hình và màn hình điện phát quang, trong ghi nhãn huỳnh quang và hình ảnh sinh học, và như các chất hấp thụ và phát xạ ánh sáng trong quang điện và các thiết bị phát sáng.

History

Brus vào đầu những năm 1980 đã giải thích sự phụ thuộc kích thước của phổ quang học tinh thể nano theo giam giữ lượng tử. Sự phát triển của tổng hợp keo tiêm nóng vào những năm 1990 bởi Bawendi và những người khác đã tạo ra các tinh thể nano gần như đơn phân tán, chất lượng cao, và bài đánh giá năm 1996 của Alivisatos đã củng cố lĩnh vực này, dẫn đến các màn hình chấm lượng tử thương mại và các đầu dò hình ảnh sinh học.

Key figures

• A. Paul Alivisatos
• Louis Brus
• Moungi Bawendi

Seminal works

• alivisatos1996
• elsayed2005

Frequently asked questions

Từ 'lượng tử' trong chấm lượng tử đề cập đến điều gì?

Nó đề cập đến giam giữ lượng tử: chấm đủ nhỏ để các điện tử và lỗ trống giống sóng bị nén vào một không gian tương đương với kích thước tự nhiên của chúng, điều này lượng tử hóa năng lượng của chúng thành các mức rời rạc, phụ thuộc vào kích thước thay vì các dải liên tục của một tinh thể khối.

Tại sao các chấm lượng tử vỏ lõi sáng hơn các lõi trần?

Các nguyên tử bề mặt của một tinh thể nano trần có các liên kết không bão hòa bẫy các hạt tải điện và làm tắt phát xạ. Việc nuôi cấy một lớp vỏ mỏng của một bán dẫn có vùng cấm rộng hơn sẽ giam giữ các hạt tải điện bên trong lõi và thụ động hóa bề mặt, làm tăng mạnh tỷ lệ các kích thích phát ra ánh sáng.