نقاط کوانتومی چیست؟ - ایران گرافن

نقاط کوانتومی یا QD ها، نانوذرات یا نانوبلورهای نیمه هادی هستند که معمولاً در محدوده 1 تا 10 نانومتر (100 تا 10000 اتم) اندازه دارند. اندازه کوچک و نسبت سطح به حجم بالای آن ها بر خواص نوری و الکترونیکی آن ها تأثیر می گذارد و آن ها را از ذرات بزرگتر ساخته شده از همان مواد متفاوت می کند.

نقاط کوانتومی حرکت الکترون‌های نوار رسانایی، حفره‌های باند ظرفیت یا اکسیتون‌ها (جفت‌های متصل از الکترون‌های نوار رسانایی و حفره‌های نوار ظرفیت) را در هر سه جهت فضایی محدود می‌کنند. نقاط کوانتومی گاهی اوقات به عنوان اتم های مصنوعی نیز شناخته می شوند، اصطلاحی که تأکید می کند آن ها یک جسم واحد با حالت های الکترونیکی محدود و گسسته هستند، مشابه اتم ها یا مولکول های طبیعی.

بسیاری از انواع نقاط کوانتومی فلورسنت هستند. اگر الکتریسیته یا نور به آن ها اعمال شود، نور فرکانس های خاصی را ساطع می کنند. این فرکانس‌ها را می‌توان با تغییر اندازه، شکل و جنس نقطه‌ها تنظیم کرد و در را به روی برنامه‌های مختلف باز کرد. به طور کلی، نقاط کوچکتر آبی به نظر می رسند در حالی که نقاط بزرگتر بیشتر قرمز هستند. رنگ های خاص نیز بسته به ترکیب دقیق QD متفاوت است.

برنامه های کاربردی

به لطف ویژگی های بسیار قابل تنظیم، QD ها توجه توسعه دهندگان و محققان برنامه های کاربردی مختلف را به خود جلب می کنند. از جمله این کاربردهای بالقوه می توان به نمایشگرها، ترانزیستورها، سلول های خورشیدی، لیزرهای دیودی، محاسبات کوانتومی و تصویربرداری پزشکی اشاره کرد. علاوه بر این، اندازه کوچک آن ها باعث می شود که QD ها در محلول معلق شوند، که منجر به استفاده های احتمالی در چاپ جوهر افشان و پوشش چرخشی می شود. این تکنیک‌های پردازش ممکن است منجر به روش‌های کم‌هزینه و زمان‌بر برای ساخت نیمه‌رسانا شود.

نقاط کوانتومی به دلیل توانایی آن ها در انتشار رنگ های متنوع، همراه با راندمان بالا، طول عمر بیشتر و ضریب خاموشی بالا، به ویژه برای کاربردهای نوری مناسب در نظر گرفته می شوند. اندازه کوچک آن ها همچنین به این معنی است که الکترون ها مجبور نیستند به اندازه ذرات بزرگتر حرکت کنند، بنابراین دستگاه های الکترونیکی می توانند سریعتر کار کنند.

نمونه هایی از کاربردهایی که از این ویژگی های الکترونیکی بهره می برند عبارتند از ترانزیستورها، سلول های خورشیدی، محاسبات کوانتومی و غیره. QD ها می توانند صفحه نمایش های LED را تا حد زیادی بهبود بخشند و به آن ها روشنایی بالاتر، دقت رنگ بهتر، اشباع رنگ بالاتر و موارد دیگر را ارائه می دهند.

QDها همچنین برای استفاده در کاربردهای زیست پزشکی بسیار جالب هستند، زیرا اندازه کوچک آن ها به آن ها اجازه می دهد در بدن حرکت کنند، بنابراین آن ها را برای کاربردهایی مانند تصویربرداری پزشکی، حسگرهای زیستی و غیره مناسب می کند.

گرافن چیست؟

گرافن ماده ای است که از اتم های کربن ساخته شده است که در الگوی تکراری شش ضلعی به هم متصل شده اند. گرافن به قدری نازک است که دو بعدی در نظر گرفته می شود. الگوی لانه زنبوری مسطح گرافن به آن ویژگی‌های خارق‌العاده زیادی می‌دهد، مانند قوی‌ترین ماده در جهان، و همچنین یکی از سبک‌ترین، رساناترین و شفاف‌ترین مواد. گرافن تقریباً در هر صنعت (مانند الکترونیک، پزشکی، هوانوردی و بسیاری موارد دیگر)کاربردهای بالقوه بی پایانی دارد.

تک لایه های اتم های کربن اساس بسیاری از مواد دیگر را فراهم می کند. گرافیت، مانند ماده ای که در مغز مدادی یافت می شود، توسط گرافن انباشته تشکیل می شود. نانولوله‌های کربنی از گرافن رول شده ساخته شده‌اند و در بسیاری از کاربردهای نوظهور از تجهیزات ورزشی گرفته تا زیست‌پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

نقاط کوانتومی گرافن

اصطلاح نقاط کوانتومی گرافن(GQDs)  معمولاً برای توصیف قطعات کوچک، محدود در اندازه یا دامنه‌های تک لایه تا ده‌ لایه گرافن استفاده می‌شود. GQD ها اغلب دارای خواصی مانند سمیت کم، فوتولومینسانس پایدار، پایداری شیمیایی و اثر محصور شدن کوانتومی برجسته هستند که آن ها را برای کاربردهای بیولوژیکی، نوری-الکترونیکی، انرژی و محیطی جذاب می کند.

سنتز ساختارهای کوانتومی گرافن، مانند نقاط کوانتومی گرافن، در سال های اخیر به یک موضوع محبوب تبدیل شده است. در حالی که گرافن معمولاً شکاف باندی ندارد که برای بسیاری از کاربردها یک مشکل است. نقاط کوانتومی گرافن به دلیل محصور شدن کوانتومی و اثرات لبه حاوی شکاف نواری هستند و این شکاف باند رفتارهای حامل گرافن را تغییر می‌دهد و می‌تواند به کاربردهای همه‌کاره در اپتوالکترونیک منجر شود.

همچنین مشخص شد که GQD ها دارای چهار حالت کوانتومی در یک سطح انرژی معین هستند، برخلاف نقاط کوانتومی نیمه هادی که تنها دو حالت دارند. به گفته محققان، این حالت های کوانتومی اضافی می تواند GQD ها را برای محاسبات کوانتومی مفید کند.

ویژگی های اضافی GQD ها مانند شفافیت بالا و مساحت سطح بالا برای کاربردهای انرژی و نمایشگر پیشنهاد شده است. به دلیل مساحت سطح بزرگ، الکترودهایی با استفاده از GQD برای خازن ها و باتری ها استفاده می شوند.

تکنیک های مختلفی برای تولید GQD توسعه داده شده است. روش های بالا به پایین مانند روش های شیمیایی محلول، مایکروویو و اولتراسونیک است. روش های پایین به بالا مانند روش های هیدروترمال و الکتروشیمیایی است.

سنتز پایین به بالا به دلیل فرآیند آماده سازی ساده و راحت مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. GQD ها اغلب از مولکول های آلی کوچک از جمله ترکیبات فنیل با استفاده از روشی از پایین به بالا که شامل عملیات هیدروترمال یا حل گرمایی است، سنتز می شوند. هیدروژن زدایی و کربنیزاسیون پیشرفته فرآیندهای اصلی واکنش هستند.

این رویکرد به طور معمول می تواند GQD های با کیفیت بالا تولید کند، اما مواد اولیه معمولاً بسیار سمی هستند و خطرات زیست محیطی شدیدی را به همراه دارند. به طور خلاصه، تصور می شود که روش پایین به بالا انتخاب مناسبی برای سنتز GQD های با کیفیت بالا باشد، اما کاستی های پیش سازها باید برطرف شود.

تعدادی از تکنیک های رایج سنتز GQD در ادامه آورده شده است:

1. لایه برداری الکتروشیمیایی

این روش شامل لایه برداری الکتروشیمیایی الکترود های گرافیتی در محلول الکترولیت است. پتانسیل اعمال شده باعث لایه لایه شدن لایه های گرافن می شود که منجر به تشکیل GQD می شود.

• لایه برداری شیمیایی

در این روش، گرافیت حجیم به صورت شیمیایی اکسید می شود و ورقه های اکسید گرافن را تشکیل می دهد که سپس با استفاده از یک عامل احیا کننده مانند هیدرازین یا سدیم بوروهیدرید به GQD تبدیل می شود. فرآیند کاهش صفحات اکسید گرافن را به GQD های کوچک تر تجزیه می کند.

• فرسایش لیزری

یک پرتو لیزری: بر روی یک هدف گرافیتی در یک محیط مایع متمرکز می شود و باعث فرسایش و تکه تکه شدن گرافیت به GQD می شود. این روش GQD ها را ارائه می دهد.

• سنتز هیدروترمال

اکسید گرافن در یک حلال همراه با یک عامل احیا کننده پراکنده می شود و در یک راکتور هیدروترمال تحت شرایط دما و فشار بالا قرار می گیرد. این منجر به کاهش گرافن اکسید به GQD می شود.

• سنتز به کمک مایکروویو

اکسید گرافن در یک حلال پراکنده می شود و در معرض تابش مایکروویو قرار می گیرد که باعث کاهش گرافن اکسید به GQD می شود. این روش سنتز سریع و کارآمد GQDها را ارائه می دهد. نانو ذرات تولید شده در این روش چندین مزیت دارند، از جمله: (1) سطوح ناخالصی کم در محصولات، (2) کنترل آسان دما و فشار، (3) راندمان محصول بالا، (4) گرمایش انتخابی (یعنی کاهش هزینه‌های انرژی)، (5) سازگار با محیط زیست، (6) امنیت بالا، (7) تکرارپذیری، و (8) کنترل آسان اندازه محصول.

• سنتز  Solvothermal

اکسید گرافن در یک حلال پراکنده شده و تحت شرایط فشار بالا در اتوکلاو ایزوله شده گرم می شود. این باعث کاهش گرافن اکساید به GQD می شود.

• سنتز مبتنی بر الگو

یک ماده قالب با اندازه های نانو حفره دلخواه برای محدود کردن رشد GQD استفاده می شود. سپس پیش سازها به قالب وارد می شوند و GQDها در داخل نانو حفره ها از طریق واکنش های شیمیایی مختلف تشکیل می شوند.

منبع:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ppsc.201300252

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/cs/c4cs00269e