مقدمه
هنگامی که ابعاد یک ماده به صورت پیوسته از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک کاهش یابد، خواص ماده در ابتدا ثابت می‌ماند، اما به تدریج با نزدیک شدن این ابعاد به محدوده‌ی فناوری نانو (محدوده‌ی بین 1 تا 100 نانو متر) خواص ماده تغییرات چشم‌گیری می‌یابد. این تغییرات شدید در خواص ماده دلایل گوناگونی دارد که تا کنون در تعدادی از مقالات سایت به برخی از آن‌ها اشاراتی شده است.
همان طور که می‌دانیم همه‌ی مواد پیرامون ما دارای سه بعد هستند. اگر یک بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما دو بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختاری پدید می‌آید که آن را چاه کوانتومی (Quantum Well) می‌گوییم. هر گاه دو بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما یک بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختار حاصل را سیم کوانتومی (Quantum Wire) می‌گوییم. و در نهایت، هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در واقع؛ نقاط کوانتومی کریستال‌هایی در حد نانو هستند که ویژگی اصلی آن انتشار نور است. البته باید توجه کنیم که فقط ورود یک یا دو یا سه بعد از ابعاد یک ماده به محدوده‌ی نانومتری، موجب نمی‌شود که ما آن ساختار را کوانتومی بنامیم؛ بلکه این ابعاد باید آن قدر کوچک شوند که خواص ماده از قوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشند و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجبه کند.
شکل1- هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در این شکل یک نقطه کوانتومی در سطح ساختار اتمی نشان داده شده است (شکل نقطه کوانتومی سیلیکون) ما در این مقاله قصد داریم راجع به مبانی فیزیکی رفتار نوری نقاط کوانتومی صحبت کنیم. روش‌ها و تکنیک‌های گوناگون ساخت نقاط کوانتومی و کاربردهای مختلف آن در گذشته در قالب مقالاتی بر روی سایت قرار گرفته است. برای توجیه رفتار نوری نقاط کوانتومی از نظریه‌ی باندی استفاده می‌کنیم (برای آشنایی با مبانی نظریه‌ی باندی میتوانید به مقالات اول و دوم نانو الکترونیک مراجعه کنید). 2. مکانیسم انتشار نور در جامدات
بر اساس نظریه‌ی باندی همه‌ی جامدات شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی، فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم.
شکل2- هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم هنگامی که پرتوی فرا بنفش به جسم جامد برخورد می‌کند، الکترون‌ها با جذب انرژی آن، از یک نوار انرژی به نوار انرژی بالاتر می‌روند. اندکی بعد، الکترون‌ها با از دست دادن انرژیِ جذب شده، به حالت پایدار خود بر می‌گردند و بدین ترتیب، انرژی جذب شده را به صورت پرتوهای نور مرئی (یا همان فوتون) ساطع می‌کنند. هر چه گاف انرژی بزرگ‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، بیش‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ آبی تمایل می‌یابند. در مقابل، هر چه گاف انرژی کوچک‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، کم‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ قرمز تمایل می‌یابند. 3. رفتار نوری نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی شامل موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، سلنید کادمیوم و فسفات ایندیوم هستند. رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آن‌ها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آن‌ها ساطع می‌شود. نکته‌ی مورد توجه این است که طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازهی نقاط کوانتومی بستگی دارد.
هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است. یعنی در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، گاف انرژی کوچک‌تر است.
بنابراین، با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیش‌تر، و متمایل به رنگ آبی است. هم‌چنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است.
شکل3- با بزرگ شدن ابعاد نقاط کوانتومی، طیف نور تابشی آن‌ها از رنگ آبی به سمت رنگ قرمز میل می‌کند. 4. آزمایش رها کردن تخم مرغ‌ها
به منظور بهتر به خاطر سپردن رفتار نوری نقاط کوانتومی میتوانید آزمایش زیر را انجام دهید. (البته تبعات آن با خودتان است!) یک تخم بلدرچین، یک تخم مرغ و یک تخم غاز تهیه کنید (قطر متوسط تخم بلدرچین، تخم مرغ و تخم غاز به ترتیب 5/1 سانتی‌متر، 5 سانتی‌متر و 8 سانتی‌متر است). هر سه را در ارتفاع تقریباً 25 سانتی‌متری سطح زمین بگیرید و هم زمان رها کنید. بهتر است از شخص دیگری هم کمک بخواهید. نتیجه را به دقت مشاهده کنید (برای مشاهده‌ی دقیق‌تر میتوانید با دوربین گوشی تلفن همراه خود از صحنه فیلم بگیرید و آن را چند بار مشاهده کنید). تخم غاز که از همه بزرگ‌تر است می‌شکند، اما شکنندگی آن زیاد نیست. تخم غاز مانند نقطه‌ی کوانتومی بزرگ است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نور کم انرژی است (متمایل به قرمز). تخم مرغ که اندازهی متوسطی دارد نیز می‌شکند، و مانند نقطه‌ی کوانتومی متوسط که نور مرئی در محدوده‌ی طیف نوری با انرژی متوسط ساطع می‌کند، رفتار می‌کند. در نهایت تخم بلدرچین بیش از دیگران می‌شکند و آسیب می‌بیند. تخم بلدرچین مانند نقطه‌ی کوانتومی کوچک است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نوری پر انرژی است (متمایل به آبی).
شکل4- آزمایش رها کردن تخم غاز، تخم مرغ و تخم بلدرچین 5. نتیجه
نقاط کوانتومی به عنوان یک ساختار پر کاربرد در فناوری نانو بسیار مورد توجه است. کاربردهای گوناگون آن از علوم پزشکی، علوم زیستی و فناوری زیستی گرفته تا الکترونیک، لیزر، آشکارساز و ... موجب اهمیت زیاد این ساختارها در فناوری نانو شده است.
هنگامی که ابعاد یک ماده به صورت پیوسته از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک کاهش یابد، خواص ماده در ابتدا ثابت می‌ماند، اما به تدریج با نزدیک شدن این ابعاد به محدوده‌ی فناوری نانو (محدوده‌ی بین 1 تا 100 نانو متر) خواص ماده تغییرات چشم‌گیری می‌یابد. این تغییرات شدید در خواص ماده دلایل گوناگونی دارد که تا کنون در تعدادی از مقالات سایت به برخی از آن‌ها اشاراتی شده است.
همان طور که می‌دانیم همه‌ی مواد پیرامون ما دارای سه بعد هستند. اگر یک بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما دو بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختاری پدید می‌آید که آن را چاه کوانتومی (Quantum Well) می‌گوییم. هر گاه دو بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما یک بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختار حاصل را سیم کوانتومی (Quantum Wire) می‌گوییم. و در نهایت، هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در واقع؛ نقاط کوانتومی کریستال‌هایی در حد نانو هستند که ویژگی اصلی آن انتشار نور است. البته باید توجه کنیم که فقط ورود یک یا دو یا سه بعد از ابعاد یک ماده به محدوده‌ی نانومتری، موجب نمی‌شود که ما آن ساختار را کوانتومی بنامیم؛ بلکه این ابعاد باید آن قدر کوچک شوند که خواص ماده از قوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشند و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجبه کند.
شکل1- هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در این شکل یک نقطه کوانتومی در سطح ساختار اتمی نشان داده شده است (شکل نقطه کوانتومی سیلیکون)
بر اساس نظریه‌ی باندی همه‌ی جامدات شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی، فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم.
شکل2- هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم
نقاط کوانتومی شامل موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، سلنید کادمیوم و فسفات ایندیوم هستند. رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آن‌ها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آن‌ها ساطع می‌شود. نکته‌ی مورد توجه این است که طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازهی نقاط کوانتومی بستگی دارد.
هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است. یعنی در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، گاف انرژی کوچک‌تر است.
بنابراین، با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیش‌تر، و متمایل به رنگ آبی است. هم‌چنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است.
شکل3- با بزرگ شدن ابعاد نقاط کوانتومی، طیف نور تابشی آن‌ها از رنگ آبی به سمت رنگ قرمز میل می‌کند.
به منظور بهتر به خاطر سپردن رفتار نوری نقاط کوانتومی میتوانید آزمایش زیر را انجام دهید. (البته تبعات آن با خودتان است!) یک تخم بلدرچین، یک تخم مرغ و یک تخم غاز تهیه کنید (قطر متوسط تخم بلدرچین، تخم مرغ و تخم غاز به ترتیب 5/1 سانتی‌متر، 5 سانتی‌متر و 8 سانتی‌متر است). هر سه را در ارتفاع تقریباً 25 سانتی‌متری سطح زمین بگیرید و هم زمان رها کنید. بهتر است از شخص دیگری هم کمک بخواهید. نتیجه را به دقت مشاهده کنید (برای مشاهده‌ی دقیق‌تر میتوانید با دوربین گوشی تلفن همراه خود از صحنه فیلم بگیرید و آن را چند بار مشاهده کنید). تخم غاز که از همه بزرگ‌تر است می‌شکند، اما شکنندگی آن زیاد نیست. تخم غاز مانند نقطه‌ی کوانتومی بزرگ است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نور کم انرژی است (متمایل به قرمز). تخم مرغ که اندازهی متوسطی دارد نیز می‌شکند، و مانند نقطه‌ی کوانتومی متوسط که نور مرئی در محدوده‌ی طیف نوری با انرژی متوسط ساطع می‌کند، رفتار می‌کند. در نهایت تخم بلدرچین بیش از دیگران می‌شکند و آسیب می‌بیند. تخم بلدرچین مانند نقطه‌ی کوانتومی کوچک است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نوری پر انرژی است (متمایل به آبی).
شکل4- آزمایش رها کردن تخم غاز، تخم مرغ و تخم بلدرچین
نقاط کوانتومی به عنوان یک ساختار پر کاربرد در فناوری نانو بسیار مورد توجه است. کاربردهای گوناگون آن از علوم پزشکی، علوم زیستی و فناوری زیستی گرفته تا الکترونیک، لیزر، آشکارساز و ... موجب اهمیت زیاد این ساختارها در فناوری نانو شده است.