1. Kvantpunktid

2. Misasi??
Kvantpunktid on nanomeetriliste suurustega pooljuhtkristallid suurusest sõltuvatega optiliste, füüsikaliste, elektroonsete ja keemiliste omadustega.
“Kvanpunkt on elektrooniline seade, mis on võimeline haarata elektrone ja hoida neid kinni väikeses ruumis.” Wil McCarthy, raamatu “Matter as Software” autor
Kvantpunktideks neid nimetatakse sellepärast et niivõrd väikeste suuruste tõttu pooljuhtkristallides ilmnevad elektronide kvantomadused.
Kvantpunkte veel nimetatkse ka kunstaatomiteks.

3. Kunstaatomid!
Võib öelda, et makroskoopilises pooljuhtkristallis on lõpmata palju energiatasemeid (kuna aatomeid on ka lõpmata palju). Selle tõttu lubatud elektronide energiatasemeid me vaatleme pideva spektrina.
Mitmetest sajadest kuni mitme tuhandeni aatomitest koosnevas kristallis on palju vähem energiatasemeid.
See, et pooljuht nanokristalli diameetri suurus on tavaliselt võrdlev selle sees asuva elektroni lainepikkussega, viib elektroni ruumilise mitteliikuvuseni.
Ja see viib diskreetsele energiatasemete ehitusele.
Selle põhjusel pooljuht nanokristalle nimetatakse ka kunstaatomiteks.

4. Võimalikud energiatasemed
Conduction
Band
Valance
Band Gap
HOMO
LOMO
Energy
Molecules
Nanoparticles
Bulk Semiconductors
Kvantiseertud energiatasemed + laiem keelutsoon

5. Kvantauk

6. Päikesepatareid?
Kui valgusfooton lööb tavalisest pooljuhtmetallist tehtud päikeseelemendi, siis tõenäosus, et tekkiv vaba elektron (tavaliselt tekib mitte rohkem kui 1 e-) põrkudes lähedal oleva aatomiga vabastab järgmist e- ja ei anna energiat aatomi vibratsioonile (soojusele) on väga väike.
Üks vaba e- ühest footonist oli kurvastavaks faktiks kogu eelmise poolsajandi jooksul.Kuid hiljutistest uuringutest (2004 a) sai teada, et kui valguse energiaga footon lööb nanosuurusega pooljuhtkristalli, siis vabastatkse ikka mitu e-!!
Vabastavate e- arv sõltub nii kvantpunkti suurusest kui selle ehitusest.
Parimaid tulemusi andsid 8 nm seleniidid (PbSe, CdSe): iga uv-valgusfooton (kuigi neid ei ole nii palju päikesekiirguses) vabastas 7 e-!
Päikesepatareide effektiivsust saaks palju parandada, kui korjata neid e-. Maksimaalselt 42 % päikeseenergiat võiks töödelda üle elektrienergiaks (praegu %) (3 e-).

7. Fluorestsents!!
Eriti suurt huvi pakuvad sellised kvantpunktid, kus footoni neeldumine annab elektron-auk paari, ja nende rekombinatsioon tekitab fluorestsentsi (kiirgava footoni sagedus erineb neeldava footoni sagedusest).
Sõltuvalt suurusest ja ehitusest, kvantpunktid võivad anda fluorestsentsvalgust UV, nähtavas ja IP spektri piirkondadest.
Avastati ka otseset seost kvanpunkti füüsilise suuruse ja kiirgava (fluorestsents) valguse lainepikkuse, e. elektron-augu energia vahel. (Mida suurem kristall, seda väiksem keelutsoon, vähem energia ja suurem lainepikkus.)
Kvantpunktidel on kohanemisvõime. See tähendab, et ergastav energia on sama iga suurusega nanokristalli jaoks (pidev neeldumisspekter). Tähendab, et me võime ühe laseriga ergastada erinevaid nanokristalle ja saada erineva värvi fluorestsentsvalgust.
Fluoerestsentsi eluiga on pikem kui näiteks orgaanilistel ainetel. Umbes 30 μsec toatemperatuuril.

8. Valgusdioodid. Nagu ette nähtud, väiksema energia tarbimisega võrreldes tavaliste lampidega;
Kvantpunkt-laserid.

9. Rakendamine bioloogias
Tänu sellele, et pooljuht nanokristallide fluorestsentsi eluiga on pikem kui orgaanikal, selle luminestsents on ajutiselt eraldatav raku enda luminestsentist.
Mitmevärvilisus; kiirgava fluorestsents piiki kitsus ja sümmeetria (värvide katmine on minimaalne); ühe lainepikkusega valgusega ergutamine teevad kvantpunkte väga sobivateks bioloogilise visualiseerimiseks.

10. Hiire soolestiku visualiseerimine.

11. 0.15 µm x 0.15 µm Ga As quantum dots height ca 0.7 µm
Epitaxy
Nanostruktuuride ehitamine / kasvatamine teise materjali pinna peale;
Tavaliselt seotud väga kalli ja unikaalse seadmestiku kasutamisega;
Seega ei saa seda eriti kasutada massiliseks tootmiseks;
Saame kvantpunkte, mis on maatriksiga seotud.
0.15 µm x 0.15 µm Ga As quantum dots height ca 0.7 µm

12. Molecular epitaxy

13. Kolloid-nanokristallid
Kolloid-nanokristallid on tavaliselt II – IV materjalid:
CdSe, CdTe, CdS
HgSe, HgTe, HgS
PbSe, PbS
ZnS
jne.
Tavaliselt toa- või kõrgtemperatuuri juures (200°c);
Pooljuhtosakeste kontsentratsiooni muutmise lai võimalus;
Väike pinnadefektide arv;
Tänu hüdrofoobse pinnakihi olemasolule kolloid-kvantpunktid võivad olla lahustatud mistahes mittepolaarsetes solventides, mõnede modifikatsioonidega ka vees ja piiritustes.
Pildil: keskel – kitsama keelutsooniga pooljuhtkristallid (CdSe), siis laieme keelutsooniga poolj (ZnS) ja pinna pela on hütrofoobne kint, e kiht pinna+aktiivsetest molekulidest

14. Ise kokkupanevate kolloid-nanokristallide skeemide skits
CdSe fraktalide arenemine nanoribadeni sõltuvalt temperatuurist

15. TransmissioonElektronMikroskoop uurib CdS/HgS/CdS kvantpunkti kasvamist.

16. Matter as Software
Kunstaatomit võib vaadelda elektronide pilvina ilma tuumata, kuid tema omadused on sarnased tavalise aatomi omadustega.
Kui paljudest kunstaatomitest üles ehitada “bulk”-struktuur pooljuht kristallvõre sarnaselt, siis uuel materjalil hakavad esinema täiesti uued omadused.
Sellinne “pooljuht” võib käituda nii pooljuhina, kui ka dielektrikuna.
Selle juures, niisugused parameetrid nagu värv, läbipaistvus, soojusjuhtivus ja aine magneetilised omadused võivad muutuda reaalses ajas.
Kunstaatomeid võib ka tõlgendada elektromagnetväljade süsteemina, mis hoiavad elektrone kihilise pooljuhi sees, nn. kvantseinad. See on hea meetod, sest et võimaldab kontrollida lõksu langenud elektronide arvu metallelektrootidele rakendatud pinge abil.
Faktiliselt see tähendab kustaatomi aatomi numbri muutmist. Vot siin võibki juba rääkida “programmeeritavast materjalist”, kuna seda protsessi võib üsna lihtsalt kontrollida kaasaegse mikroelektroonika abil, lootes looduses mitteeksisteerivaid materjale.