معرفی نقاط کوانتومی،روش های سنتزوکاربردهایش

[parisa]

معرفی نقاط کوانتومی،روش های سنتزوکاربردهایش(1)

---

نقاط کوانتومی (کوانتوم دات ها Quantum dot)،نانوذراتی با خصوصیات نوری منحصر به فرد هستند که توانایی نشر نور با رنگ های مختلف رادارامی باشند و رنگ نور به اندازه کریستال آن ها بستگی دارد.نقاط كوانتومی یا نانوكریستال‌ها در دسته ی نانوذرات نیمه‌ رساناجای می‌گیرند. نیمه‌رساناها اساس صنایع الكترونیك جدید هستند و در ابزارهایی مانند دیودهای نوری و رایانه‌های خانگی به كار گرفته می‌شوند.نقاط کوانتومی همچنین به دلیل اندازه کوچکشان خصوصیات نوری والکتریکی منحصر به فردی دارند که الکترون ها درپیدایش این خصوصیات ،نقشی کلیدی ایفا می کند. این نقاط درکارهای دارویی و بیوتکنولوژی بسیار مورد توجه هستند. دراین قسمت به معرفی،خواص و انواع نقاط کوانتومی می پردازیم،درقسمت بعد روش های سنتزوکاربردهای نقاط کوانتومی را بیان می کنیم .

---

​

همان طور که گفتیم نقاط کوانتومی دسته ای از نانوذرات می باشند،یک نانوذره ،ذره ای است که ابعاد آن در حدود می باشد،درواقع با دسته ای از موادبا خواص به طور مشخص متفاوت از حجم شان وخواص (100nmتا1nm) مولکولی همتای آن ها روبروهستیم.
[h=2]دو ویژگی مهم نانو ذرات را از دیگرگروه های متمایز جدامی سازد:
افزایش نسبت سطح به حجم نانوذرات که موجب می شود اتم های واقع درسطح اثر بسیار بیشتری نسبت به اتم های درون حجم ذرات برروی خواص آن ها داشته باشد و همچنین تا ثیرات کوانتومی رابه عنوان ویژگی دوم مطرح می شود.[h=2]معرفی نقاط کوانتومی

​

نقطه کوانتومی یک ناحیه از بلورنیمه رسانا است که الکترون ها،حفره ها ویا هردو آن ها را در سه بعد دربرمی گیرد.
هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار داردوویژگی اصلی این نقاط انتشار نور است. ابعاد ،آن قدر کوچک هستندکه خواص ماده باقوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشد و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجیه کند. نقاط كوانتومی، به خاطر كوچك بودنشان، دسته ی صربه‌فردی از نیمه‌رساناها به شمار می‌روند. اهمیت نیمه‌رسانا بودن نقاط کوانتومی در این است كه رسانایی الكتریكی این مواد را می‌توان با محرك‌های خارجی مانند میدان الكتریكی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی كه از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یك كلید عمل كنند. این خاصیت، نیمه‌رساناها را به یكی از اجزای حیاتی انواع مدارهای الكتریكی و ابزارهای نوری تبدیل كرده است. پهنای نقاط کوانتومی، بین 2 تا 10 نانومتر، یعنی معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در این ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای در کاربردهای علمی و فنی به نقاط کوانتومی می‌بخشد.

کوانتوم دات گالیم آرسنید با465 اتم​

مطالعات درمورد ذرات کوانتومی درسال 1970 شروع شدودرسال 1980 این گروه ازنانوذرات نیمه هادی توسط الکسی Ekimov به وسیله ماتریس وتوسط لوئیس E.Brusدرمحلول کلوئیدی ساخته شد وMark Reed اصطلاح "نقطه کوانتومی "را ابداع کرد. نقاط کوانتومی عملکرد بسیار جالبی دارد،به این صورت که قابلیت جذب هرتعداد الکترون وارده را دارا می باشند.بنابراین باوجود دارابودن یک هسته اتمی خا ص ،براساس الکترون های وارده به آن ها،خواص ورفتارمتفاوتی ازخودبروز می دهند.بعنوان مثال،نقاط کوانتومی درحالت داشتن یک الکترون خصوصیات هیدروژن راداراهستند وبا داشتن 6الکترون منجربه تولید کربن مصنوعی وبا79الکترون منجر به تولید طلای مصنوعی می شوند.ضمنا اتمهای مصنوعی بوجودآمده توسط این سیستم قابلیت پیوند بادیگر اتم ها را دارا هستند که این مسئله منجر به تولید مولکول های مصنوعی ودرنهایت موادمصنوعی خواهد گردید.

 

[parisa]

[h=2]بررسی خواص نقاط کوانتومی

​

1. درنقاط کوانتومی الکترونها درست مثل وضعیت یک اتم ، موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می کنند ونقاط کوانتومی شباهت زیادی به اتم های واقعی دارند،به همین علت در مکانیک کوانتومی به آن ها لفظ"اتم های مصنوعی"می دهند.
2. نقاط کوانتومی طیف نشری نوری گسسته ای راکه مربوط به ترازهای الکترونی گسسته(مانند اتم های واقعی)می شودرادارا هستند.
3. نقاط کوانتومی نیمه رسانا زمانی که بااتم واقعی مقایسه می شوند،ویژگی مشخصی دارند،تعداد الکترون های آزاد رامی توان به کمک ابزارخارجی تغییرداد.این یک راه آسانتر برای دستیابی به اتم های مصنوعی با3،2،1،یا تعداد بیشتری الکترون می باشد.بنابراین اضافه ویا کم کردن الکترون ها به ذرات کوانتومی طیف وسیعی ازموادمصنوعی رادراختیاربشرقرار خواهد داد.با این وجود نباید فراموش کرد که موادمصنوعی تولیدشده توسط این روش،خصوصیات مواد اصلی رابه تمامی دارا نخواهند بود.به نظر می رسد که سرانجام مواد ساخته شده، درواقع متشکل از نانوربا ت هایی خواهند بود که از لحاظ ظاهری وعملکرد،تحت فرمان انسان قرارخواهند گرفت.

​

4. یکی از خاصیت های مهم نقاط کوانتومی نیمه رسانا منبع کلومبی می باشد .این بدین معناست که اگر سدهای تونل زنی یک نقطه به اندازه کافی بالا باشد ،به انرژی خارجی برای تزریق یک الکترون اضافه به داخل نقاط کوانتومی نیمه رسانا نیاز است.
5. همه نیمه رسانا شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است درواقع بازة مشخصی از انرژی را دارا می باشد. وقتی یک الکترون انرژی متفاوتی از الکترون دیگر دارد، گفته می‌شود که در یک تراز انرژی متفاوت قرار دارد. خاصیت ذاتی الکترون‌ها باعث می‌شود که بیش از دو الکترون نتوانند در هر تراز انرژی قرار بگیرند. در یک تودة بزرگ از مادة نیمه‌رسانا(حالت bulk )، ترازهای انرژی بسیار نزدیک هم هستند؛ آن‌قدر نزدیک که به صورت یک بازة پیوسته توصیف می ‌شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حدّ صفر است. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای (شکاف ،گپ )وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیردوالکترون ها مجاز به داشتن انرژی در این فاصله نیستند، این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم. الکترون‌هایی که ترازهای پایین گپ را اشغال می‌کنند «الکترون‌های ظرفیت در باند ظرفیت» و الکترون‌های ترازهای بالای گپ «الکترون‌های رسانش در باند رسانش» نامیده می‌شوند.

​

در مواد نیمه‌رسانا به حالت توده‌ای (حالت bulk )، درصد بسیار کمی از الکترون‌ها در نوار رسانش قرار می‌گیرند و بیشتر الکترون‌ها در نوار ظرفیت قرار می‌گیرند، به طوری که آنها را تقریباً پر می‌کنند. همین پدیده باعث می‌شود که موادّ نیمه‌رسانا در حالت عادی (غیر برانگیخته) نارسانای جریان الکتریکی باشند. اگر الکترون‌های بیشتری بخواهند در باند رسانش قرار گیرند، باید انرژی کافی برای بالارفتن از گپ انرژی دریافت کنند. تحریک با نور، میدان الکتریکی یا گرما می‌تواند تعدادی از الکترون‌ها را از نوار ظرفیت به نوار رسانش بفرستد. در این حالت، تراز ظرفیتی که خالی می‌شود، «حفره» نام دارد، زیرا در طی این رویداد، یک حفرة موقت در نوار ظرفیت به وجود می‌آید.
تحریکی که باعث جهش الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش و ایجاد حفره می‌شود، باید انرژی‌ای بیش از پهنای گپ داشته باشد. انرژی پهنای گپ در نیمه‌رساناهای توده‌ای، مقدار ثابتی است که تنها به ترکیب آن مواد بستگی دارد. الکترون‌هایی که به نوار رسانش برانگیخته شده‌اند، بعد از مدتی دوباره با از دست دادن انرژیِ ، به نوار ظرفیت برمی‌گردند.و بدین ترتیب، انرژی 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. از آنجا که گاف انرژی نیمه‌رسانا کاملاً معین است، نور تنها در طول موج معینی تابش می‌شود.

 

[parisa]

​

در نقاط کوانتومی همان طور که در بالا گفتیم، انرژی‌های مجاز پیوسته نیستند و بین هر دو تراز انرژی فاصله می‌افتد. تحت این شرایط، مادة نیمه‌رسانا دیگر خاصیت‌های حالت توده‌ای خود را از دست می‌دهد. این اختلاف تأثیر زیادی روی شرایط جذب یا تابش نور در نیمه‌رسانا دارد.
از آنجا که ترازهای انرژی در نقاط کوانتومی دیگر پیوسته نیستند، کاستن یا افزودن تعدادی اتم به نقطه کوانتومی، باعث تغییر در حاشیه گاف انرژی می‌شود. تغییر نحوه چیده شدن اتم‌ها در سطح نقطه کوانتومی هم باعث تغییر انرژی گاف می‌شود، که باز هم به دلیل اندازه بسیار کوچک این نقاط است. اندازه گاف انرژی در نقطه کوانتومی همیشه بزرگتر از حالت توده ماده است. یعنی الکترون‌ها برای جهش از روی گاف، باید انرژی بیشتری آزاد کنند. بنابراین، نور تابش‌شده هم باید طول موج کوتاه‌تری داشته باشد، یا به اصطلاح، انتقال به آبی یافته باشد. این خاصیت باعث ایجاد قابلیت تنظیم طول موج تابشی، و در واقع انتخاب رنگ دلخواه برای نقاط کوانتومی می‌گردد.
6- 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. طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازه‌ی نقاط کوانتومی بستگی دارد.
هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است.. پس در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌ تر، گاف انرژی کوچک‌ تر 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.

با افزایش اندازه نقاط کوانتومی به سمت رنگ قرمز (طول موج های بیشتر) متمایل می شویم​

7. یک نقطه کوانتومی دارای شکل های مکعبی ریز،استوانه ای کوتاه یا کره ای با ابعاد کوچک نانومتری می باشد وقتی ابعاد کوچک می شود ،ازجابه جایی الکترون ها جلوگیری می شود وآن ها محدودیت راتجربه خواهند کرد.نقاط کوانتومی محدودیت رادرهرسه بعد فضایی اش نشان می دهدوبنابراین درآن هیچ جابه جایی وجود ندارد.

[h=2]انواع مختلف نقاط کوانتومی
موادی از قبیل سولفید سرب،سولفید روی،فسفات ایندیوم،آرسنیک ایندیوم،تلورید کاد میوم،سلنید کادمیوم،سولفید کادمیوم هستند که این مواد بسته به اندازه وطول موج معینی از نور،پس از تحریک الکترونها با استفاده از یک منبع خارجی از خود نور ساطع می کنند.

(کوانتوم دات سیلیکون)

(کوانتوم دات PbSe)

​

 

[parisa]

AFMتصویر میکروسکوپ نیروی اتمی کوانتوم دات آرسنیک ایندیوم​

برخی نقاط کوانتومی نیزبه صورت ساختارهای هسته- پوسته هستند؛نظیر نقاط کوانتومی cdse(سلنید کادمیوم) که در هسته قرار داشته وبه وسیله پوسته ای از جنس zns(سولفید روی) پوشیده می شود و توانایی نشر نور به رنگهای مختلف را دارد.ویا از فرمهای ویژه ای از سیلیکا به نام ormosil که هسته وپوسته به وسیله لایه ای پلیمری پوشیده می شوند.

ormosil​

** درقسمت بعد به روش های ساخت وکاربردهای نقاط کوانتومی می پردازیم.

مریم نایب زادهبخش دانش وزندگی تبیان​

 

[parisa]

معرفي نقاط کوانتومي ،روش هاي سنتزوکاربرد هايش (2)

---

نقاط کوانتومي به علت ويژگي هاي منحصر به فردشان مثل پايداري نوري بالا،طيف نشري باريک ،طيف جذبي پهن ،درخشندگي نوري بالاوپايداري شيميايي به طوروسيعي درسال هاي اخير توجه محققين رابه خود جلب کرده اند.خصوصيات نوري آن ها وابسته به اندازه بوده وبه راحتي قابل تنظيم مي باشد.ازنقاط کوانتومي درتحقيقات پزشکي وزيستي ، ابزارهاي نشرنور،کامپيوترهاي کوانتومي ،برچسب هاي بيولوژيکي ،سلول هاي خورشيدي و...استفاده مي کنند.در قسمت اول به معرفي نقاط کوانتومي ،بررسي خواص وانواع مختلف نقاط کوانتومي پرداختيم ،دراين قسمت روش هاي سنتزوکاربرد هاي نقاط کوانتومي رابيان مي کنيم.

---

​

[h=2]روشهاي ساخت نقاط کوانتومي
براي ساختن نقاط کوانتومي ميتوان هم از روشهاي بالا به پايين و هم از روشهاي پايين به بالا استفاده کرد.مزيت استفاده از روشهاي پايين به بالا امکان توليد انبوه و ارزان نقاط کوانتومي را ايجاد مي کند و مزيت استفاده از روشهاي بالا به پايين امکان کنترل بيشتر محل اين نانوذرات و جاسازي آنها درون مدارهاي الکترونيکي يا ابزارهاي آزمايش مي باشد.[h=2]بطور کلي روشهاي سنتز نقاط کوانتومي شامل
1. سنتز کلوئيدي2. فراوري
3. خود آرايي ويروسي
4. خود آرايي الکترو شيميايي
5. نقاط کوانتومي بدون کادميوم

​

[h=2]سنتزکلوييدي
در سنتز کلوئيدي نمکهاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط کنترل شده،به حالت بلوري در مي آيند. سنتزنقاط کوانتومي کلوئيدي در سيستمي سه جزئي متشکل از پيش سازها،سورفکتانت آلي وحلال(سورفکتانتها موادي آلي هستند که يکسرقطبي( آب گريز) و يک سر غير قطبي ( آب دوست) دارند. سر قطبي محلول در آب است،اما سر غير قطبي در آب حل نمي شود و به همين علت اين مواد هميشه به سطح آب مي آيند و چون سطح آب محدود آست،اين ملکولها يک لايه ي نازک بهم فشرده ومنظم را تشکيل مي دهند.به اين خاصيت"خود ساماندهي"مي گويند.انواع مواد شوينده از اين نوع اند در مواد شوينده سر غير قطبي به چربيها وروغنها مي چسبد و در نتيجه مي توانيم آنها را با آب بشوييم)مهمترين مرحله در اين روش جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است که با تغيير دما يا افزودن مواد خاتمه‌دهنده واکنش يا تثبيت‌کننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات کوانتومي، آنها را با يک لايه از سورفَکتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر کنترل شوند ذرات يکنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.[h=2]روش فرآوري
نقاط کوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليکون حک مي‌شوند. اين کار با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امکان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط کوانتومي را کنترل کرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

​

[h=2]روش خودآرايي ويروسي
دراين روش ،ويروس هايي که به طريق ژنتيکي دستکاري مي شوند مي توانند سطوح نيمه هادي بخصوص نيمه هادي هايي نظيرZns راازطريق روش هاي انتخابگري شناسايي کنند واطراف اين نيمه هادي آرايش يابند وبدين ترتيب نقاط کوانتومي اي که سنتز مي شوند ،از نظر باکتري وفازهاي نوترکيب بسيار متنوع هستند.
[h=2]روش خود آرايي الکترو شيميايي اين روش براساس نشاندن لايه هاي نازک برروي سطوح نيمه هادي صورت مي گيردويکي از روش هاي پايين به بالا براي ساختن نقاط کوانتومي است.[h=2]روش سنتز نقاط کوانتومي بدون کادميوم
اين روش بدين خاطرمورد توجه قرارگرفته است که استفاده از فلزات سنگين نظير کادميوم درساخت وسايل مورد نيار ممنوع است زيرا باعث توليد گازهاي گلخانه اي مي شود.بنابراين جهت بقاي تجاري ،سنتز نقاط کوانتومي که فاقد فلزات سنگين باشند،مورد توجه است.[h=2]كاربردهاي نقاط كوانتومي

 

[parisa]

[h=3]کاربرد نقاط کوانتومي در پزشکي

انتشار نور توسط نقاط کوانتومي در تشخيصهاي پزشکي کاربردهاي فراوان دارد.اين نقاط به صورت برچسب فلوئورسانتي عمل مي کنند.با اين تفاوت که در برابر درخشان شدن،خاصيت وتوانايي خود را از دست نمي دهندو در برابر تعداد سيکلهاي تحريک وانتشار نور مقاومت بيشتري از خود نشان مي دهند.

​

در واقع نقاط کوانتومي با تحريک الکتريکي يا توسط گستره وسيعي از طول موجها در فرکانسهاي کاملا مشخص به فلوئور سانس مي پردازند،به اين شکل که فرکانسي از نور را جذب کرده ودر فرکانس مشخص(که تابع اندازه آنهاست) به نشر نور مي پردازند.اين ذرات همچنين مي توانند بر حسب ولتاژاعمال شده،به انعکاس ،شکست يا جذب نور بپردازند. نقاط کوانتومي مي توانند به گونه اي تنظيم شوند که در رنگ هاي مختلف با يک طول موج نور معين بدرخشند. به عبارتي مي توانيم نقاط کوانتومي را بسته به فرکانس مورد نياز نور انتخاب کنيم و باعث شويم تا يک گروه از نقاط کوانتومي مشابه گروه ديگري با يک طول موج بدرخشند. اين امر به برچسبهاي چندگانه امکان مي دهد تا با استفاده از يک منبع نور وارد رديابي شوند.

​

امروزه در پزشکي از نقاط کوانتومي در تشخيص مرز واقعي بين سلولهاي سالم وسلولهاي تومور در مغز مي پردازند. تيمي از محققان اعلام داشته اند که نقاط کوانتومي در هنگام تزريق به حيوانات مبتلا به تومور مغزي در محل تومور تجمع مي کنند.اين نقاط قابل رويت هستند و حتي زمانيکه تحت تابش قرار نمي گيرند نيز مرئي مي باشند. زماني که نور آبي يا نور ماوراي بنفش به آنها تابانده مي شود از خود نور فلوئورسانس قرمز ساطع مي کنند. محقق اين نور را با استفاده از دوربين هاي ديجيتالي ويژه ، وسايل اسپکتروسکوپي اپتيکي يا ميکروسکوپ فلوئورسانس ميدان تاريک دريافت مي کنند و بدين ترتيب مکان دقيق تومور و حدفاصل آن با بافت سالم را تعيين مي‌کنند.

​

اين نقاط دردرمان ناباروري بويژه در مردان نيزکاربرددارند ،به اين صورت که درمردان نابارور بااستفاده ازنانوربات هاي سيال وباکمک نقطه کوانتومي اسپرم رابه درون تخمک منتقل کرده وباروري موفقي راباوجودتعداد کم اسپرم يا اسپرم هاي ناتوان ايجاد خواهدکرد.
نقاط کوانتومي براي کشف سلول هاي سرطاني در کل بدن ودرمان سرطان نيزکاربرد دارند،به اين صورت که اين نقاط رادر کپسول هاي پليمري قرار مي دهند وبا هدف رساندن آن به سلول سرطاني ورساندن دارو به منطقه هدف، براي درمان سلول موردنظر کاربرد دارندويکي اززمينه هاي بسيارجديد درتحقيقات ، چگونگي دريافت اطلاعات موردنظرازمولکول ها وسلول ها به وسيله کوانتوم دات ها است.

​

[h=3]نشانگرهاي بيولوژيكي
امكان تابش در فركانس‌هاي مطلوب، نقاط كوانتومي را ابزاري كارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط كوانتومي را به انتهاي بيومولكول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل كرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده كرد.

​

تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط كوانتومي اين امكان را فراهم آورده است كه همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به كار برد و از نحوه و ميزان برهمكنش آنها مطلع شد. پيش از اين از مولكول‌هاي رنگي براي اين كار استفاده مي‌شد كه تنوع كمتري از نقاط كوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌كارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند. درواقع نشاندار کردن سلولها تکنيکي است که با استفاده از چندين رنگ جهت مشاهده ساختارهاي سلولي نظير پروتئينهاي اسکلت سلولي ويا اندامک هاست .
[h=2]کامپيوتر هاي کوانتومي

​

ازنقاط كوانتومي مي‌توان براي نمايش يك بيت كوانتومي- يا كيوبيت- در يك کامپيوتركوانتومي استفاده كرد.درواقع كامپيوتر كوانتومي دستگاهي است كه يك پديده ي فيزيكي را بر اساس قوانين مكانيك كوانتومي به صورت منحصر به فردي در مي آورد تا به صورت اساسي يك حالت جديداز پردازش اطلاعات را تشخيص دهد.در مطلبي به طور جداگانه به بررسي کامپيوتر هاي کوانتومي مي پردازيم.
[h=2]ديودهاي نوراني سفيد

​

 

[parisa]

قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط كوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد كه آنها را به عنوان ديود نوراني به كار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازه بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با كارآيي بسيار بالا ايجاد كرد. همچنين با تركيب نقاط كوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد كرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يك طريق برانگيخت.

مي‌دانيم كه نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه كرد؛ مانند همان چيزي كه در رنگين‌كمان مشاهده مي‌كنيم. معكوس اين حالت هم امكان‌پذير است، يعني مي‌توان با تركيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد كرد كه سفيد به نظر بيايد. با آنكه نقاط كوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌كنند، اما همة آنها را مي‌توان با يك پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريك كرد. درست مانند شكل (ارلن‌هاي رنگي) كه همة محلول‌ها تحت تابش يك منبع قرار دارند.

​

حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط كنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌كنند. چون طيف تابشي نقاط كوانتومي بسيار باريكتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، كه در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.

[h=2]کاربرد نقاط کوانتومي درسا خت آشکارسازهاي مادون قرمز
با کنترل ابعاد نقاط کوانتومي، ميدان الکترومغناطيسي ،نور را دررنگها و طول موجهاي مختلف، منتشرمي کند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومي از جنس آرسنيدکادميوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر مي کند؛ درحالي که ذراتي به بزرگي 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز منتشرمي کند. به دليل قابليت توليد نور در طول موجهاي خاص نقاط کوانتومي ، اين بلورهاي ريز در ادوات نوري به کارمي روند. دراين عرصه از نقاط کوانتومي در ساخت آشکارسازهاي مادون قرمزو ديودهاي انتشار دهنده ي نورمي توان استفاده نمود. آشکارسازهاي مادون قرمز از اهميت فوق العاده اي برخوردارند. مشکل اصلي اين آشکارسازها مسئله ي خنک سازي آنهاست. براي خنک سازي اين آشکارسازها از اکسيژن مايع وخنک سازي الکترونيکي استفاده مي شود. اين آشکارسازها براي عملکرد صحيح بايد دردماهاي بسيار پائين، نزديک به 80 درجه کلوين کارکنند، بنابراين قابل استفاده در دماي اتاق نيستند، درصورتي که از آشکارسازهاي ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومي مي توان به راحتي در دماي اتاق استفاده کرد. [h=2]اتم‌هاي مصنوعي

​

باردار كردن نقاط كوانتومي، به علت كوچكي، به سادگيِ باردار كردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه كردن هر الكترون به يك نقطة كوانتومي، بايد بر انرژي الكترواستاتيك بين الكترون‌هاي روي نقطة كوانتومي غلبه كرد. اين كار را با اِعمال ميدان الكتريكي انجام مي‌دهند. الكترون‌هايي كه به نقاط كوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ كوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند كه خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين كسي كه اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.

[h=2]عناصر مدارهاي نوري
يكي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست كه در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط كوانتومي، مي‌تواند بر اين مشكل فائق آيد. نقاط كوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي كارآمدتر با اغتشاش كمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌كنند.
[h=2]سلول هاي خورشيدي
در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يكي از منابع مهم توليد انرژي الكتريكي، تابش خورشيد است. به دليل افزايش نياز بشر به منابع انرژي پاک، صنعت توليد سلو لهاي خورشيدي با سرعت بسياري در حال گسترش است.مشكل اصليِ سلول خورشيدي کنوني، هزينة بالا و كارآيي كمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشكيل شده‌اند كه با جذب نور خورشيد، الكترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌كنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محركة الكتريكي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها كه جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود.

​

سلو لهاي خورشيدي سيليکوني متعارف توانايي لازم براي تبديل تمام انرژي فوتو نهاي جذب شده به الکترو نها وحفر ه هاي آزاد و در نهايت توليد الکتريسيته را ندارند. از سوي ديگر، به علت قيمت بالاي مواد خام نيمه هادي و نيز فرآيندهايي که براي تبديل مواد خام به سلو لهاي کاربردي نياز است هزينه ي توليد اين سلو لها بسيار بالا است. نقاط کوانتومي انقلابي را در توليد سلو لهاي خورشيدي ارزا ن قيمت با بازد هي بالا آغاز کرده است. انواع مختلف نقاط کوانتومي که به منظور تطبيق يافتن و جذب نور طيف خورشيد طراحي شده اند را مي توان در يک سلول خورشيدي گردآوري نمود .نقاط کوانتومي باا ستفاده ا زا ندازه منحصربه فردشان از قابليت هاي مهمي براي برقراري تعامل نوري بامنبع نور برخوردار هستند. در سيليکو نها، يک فوتون نوري، يک الکترون از مدار اتم رها مي سازد. دراواخر دهه 90 ميلادي آرتور نوزيک از محققان ارشد آزمايشگاه ملي منابع تجديدپذير انرژي در کلورادوي آمريکا بر اين فرض بود که نقاط کوانتومي مواد خاص نيمه هاد يها هستند که مي توانند به هنگام برخورد با فوتو نهاي داراي سطح انرژي بالا دو يا تعداد بيشتري الکترون آزاد کنند. اين فرآيند را در پايانه هاي فو ق بنفش و آبي طيف رنگي نيز مشاهده ميکنيم.در واقع با طراحي نقاط كوانتومي كه بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي سلول هاي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.

​

[h=2]

ليزرهاي نقطه کوانتومي​

واژه" ليزر" اختصاري براي عبارتي است به معناي " تقويت نور به وسيله ي گسيل برانگيخته نور"است .نورگسيل شده ازيک ليزرهم تکفام (تک طول موج )وهم همدوس (هم فاز ) مي باشد .ليزرهاي نقطه کوانتومي،يکي از انواع ليزرهاي نيمه رسانا هستند. نقاط کوانتومي به علت محدوديت حامل هاي بار وطيف نوري نشري گسسته که مربوط به ترازهاي الکتروني گسسته مي باشد ، ساختار الکترونيکي شبيه به اتم واقعي از خود به نمايش مي گذارند.
از مزاياي اين ليزرها :1. بهبود پهناي باند مدولاسيون2. جريان آستانه پايين
3. بهبود پارامتر پهناي خط
4. حساسيت کم به دما را مي توان نام برد

ناحيه فعال نقطه کوانتومي مي تواند مهندسي شود تا يک طول موج خاص را منتشر سازد،اين کار بوسيله سايز نقطه کوانتومي و ميزان ترکيب در آن کنترل مي شود.کارايي ليزرهاي نقطه کوانتومي بسيار بيشترازليزرهاي معمولي است.

مريم نايب زادهبخش دانش و زندگي تبيان​