انجمن علمی فیزیک و نجوم دانشگاه صنعتی امیرکبیر

در این فرمول، E₀ شکاف باند ماده در حالت حجیم است، ترم دوم افزایش انرژی به دلیل محدودیت فضایی (حبس) را نشان می‌دهد که با وارون R² رشد می‌کند، و ترم سوم کاهش انرژی ناشی از جاذبه کولنی بین الکترون و حفره (تشکیل یک اکسیتون) را نشان می‌دهد. ضریب 1.8 یک تقریب ناشی از شکل تابع موج اکسیتونی در نانوذره کروی است. این معادله هسته بسیاری از پیش‌بینی‌ها و طراحی‌های عملی نقاط کوانتومی است.

نقاط کوانتومی (Quantum Dots) که یکی از برجسته‌ترین نمونه‌های حبس کوانتومی سه‌بعدی هستند، نانوکریستال‌هایی از مواد نیمه‌رسانا (مثل CdSe و PbS یا InP) هستند که اندازه‌شان معمولاً بین 2 تا 10 نانومتر است. ویژگی خارق‌العاده این ذرات آن است که طول موج نوری که جذب یا گسیل می‌کنند، به دقت تابع اندازه آن‌هاست. مثلاً در CdSe، ذره‌ای با قطر 2 نانومتر نور آبی نزدیک به فرابنفش می‌دهد، در حالی که ذره‌ای با قطر 6 نانومتر نور قرمز تند تولید می‌کند. این کنترل دقیق بر رنگ، بدون تغییر ترکیب شیمیایی و تنها با تغییر اندازه در فرآیند سنتز به دست می‌آید. این خاصیت نه تنها در فیزیک بنیادی جالب است، بلکه در صنعت به شدت ارزشمند است. در فناوری نمایشگرها، نقاط کوانتومی به کار گرفته می‌شوند تا رنگ‌های بسیار خالص و قابل تنظیم تولید کنند. در نمایشگرهای QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode)، یک منبع نور آبی—معمولاً یک LED آبی معمولی—نورش را به لایه‌ای از نقاط کوانتومی می‌تاباند. نقاطی که برای نشر سبز طراحی شده‌اند، فوتون‌های آبی را جذب و فوتون‌های سبز بسیار خالص (با پهنای طیفی کمتر از 30 نانومتر) منتشر می‌کنند. نقاط قرمز نیز به همین شکل کار می‌کنند. با ترکیب این سه رنگ خالص (قرمز، سبز، آبی)، نمایشگر تصویری با دقت رنگ بسیار بالا و مصرف انرژی کمتر ارائه می‌دهد.

اما حبس کوانتومی فقط به کاربردهای نمایشی محدود نیست. در فناوری سلول‌های خورشیدی، این پدیده می‌تواند بهره‌وری را فراتر از حد کلاسیک شوکلی–کوئیسر افزایش دهد. در یک سلول خورشیدی معمولی، یک فوتون با انرژی بالاتر از شکاف باند، اضافی انرژی‌اش را به صورت گرما از دست می‌دهد. اما در نقاط کوانتومی، به دلیل ساختار گسسته سطوح انرژی، این انرژی اضافی می‌تواند به جای تلف شدن، برای تولید چندین جفت الکترون–حفره

(Multiple Exciton Generation)

استفاده شود. این اثر، اگر به‌طور کارآمد کنترل شود، می‌تواند بازده نظری سلول‌های خورشیدی را به شکل چشمگیری افزایش دهد. در حوزه زیست‌پزشکی، نقاط کوانتومی حاصل از حبس کوانتومی به عنوان برچسب‌های فلورسانس با طول عمر بالا و مقاومت در برابر تخریب نوری

(Photobleaching)

استفاده می‌شوند. برای مثال، می‌توان نقاط کوانتومی را با لیگاندهای زیستی خاصی پوشش داد تا به مولکول‌ها یا سلول‌های هدف در بدن متصل شوند. سپس با تاباندن نور فرابنفش یا آبی، نقاط کوانتومی نور رنگی مشخصی گسیل می‌کنند و موقعیت مولکول یا سلول هدف را در یک میکروسکوپ فلورسانس آشکار می‌سازند. این روش، به دلیل روشنایی زیاد و پایداری طولانی، برتری زیادی نسبت به رنگ‌های آلی معمول دارد.
یکی از کاربردهای صنعتی برجسته حبس کوانتومی، لیزرهای نقاط کوانتومی

(Quantum Dot Lasers)

است که در مخابرات نوری و دیتاسنترها استفاده می‌شوند. در این نوع لیزرها، محیط فعال از نقاط کوانتومی تشکیل شده که حامل‌های بار را در سه بعد محبوس می‌کنند. این محبوس‌سازی باعث افزایش چگالی حالت‌ها در نزدیکی لبه باند و کاهش آستانه تحریک لیزر می‌شود. برای مدل‌سازی ساده، توان آستانه

P

به صورت تقریبی تابع معکوس ضریب بهره لیزر

g

است:

P∝1/g(N)

که

g(N)

تابعی از چگالی حالت

D(E)

و احتمال اشغال ترازها بر اساس توزیع فرمی-دیراک

f(E)

است:

g(N)∝∫D(E)f(E)σ(Ε)dE

در نقاط کوانتومی، به دلیل حبس سه‌بعدی،

D(E)

به شکل یک سری دلتا-تابع‌ها ظاهر می‌شود (حالت‌های گسسته)، در حالی که در چاه یا سیم کوانتومی پیوسته یا شبه‌پیوسته است. این ساختار گسسته باعث می‌شود بهره لیزر با تعداد کمتری حامل به اشباع برسد و در نتیجه آستانه تحریک چندین برابر کمتر از لیزرهای نیمه‌رسانای معمولی باشد. از نظر صنعتی، این یعنی لیزرهایی با مصرف انرژی بسیار کمتر، پایداری طول موج بالاتر، و عملکرد بهتر در دماهای متغیر—ویژگی‌هایی که برای لینک‌های نوری پرسرعت در مراکز داده حیاتی است.

🗿3

www.tgoop.com/PSA_AUT/2733

380 viewsدانیال, Aug 13 at 16:32

در این فرمول، E₀ شکاف باند ماده در حالت حجیم است، ترم دوم افزایش انرژی به دلیل محدودیت فضایی (حبس) را نشان می‌دهد که با وارون R² رشد می‌کند، و ترم سوم کاهش انرژی ناشی از جاذبه کولنی بین الکترون و حفره (تشکیل یک اکسیتون) را نشان می‌دهد. ضریب 1.8 یک تقریب ناشی از شکل تابع موج اکسیتونی در نانوذره کروی است. این معادله هسته بسیاری از پیش‌بینی‌ها و طراحی‌های عملی نقاط کوانتومی است.

نقاط کوانتومی (Quantum Dots) که یکی از برجسته‌ترین نمونه‌های حبس کوانتومی سه‌بعدی هستند، نانوکریستال‌هایی از مواد نیمه‌رسانا (مثل CdSe و PbS یا InP) هستند که اندازه‌شان معمولاً بین 2 تا 10 نانومتر است. ویژگی خارق‌العاده این ذرات آن است که طول موج نوری که جذب یا گسیل می‌کنند، به دقت تابع اندازه آن‌هاست. مثلاً در CdSe، ذره‌ای با قطر 2 نانومتر نور آبی نزدیک به فرابنفش می‌دهد، در حالی که ذره‌ای با قطر 6 نانومتر نور قرمز تند تولید می‌کند. این کنترل دقیق بر رنگ، بدون تغییر ترکیب شیمیایی و تنها با تغییر اندازه در فرآیند سنتز به دست می‌آید. این خاصیت نه تنها در فیزیک بنیادی جالب است، بلکه در صنعت به شدت ارزشمند است. در فناوری نمایشگرها، نقاط کوانتومی به کار گرفته می‌شوند تا رنگ‌های بسیار خالص و قابل تنظیم تولید کنند. در نمایشگرهای QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode)، یک منبع نور آبی—معمولاً یک LED آبی معمولی—نورش را به لایه‌ای از نقاط کوانتومی می‌تاباند. نقاطی که برای نشر سبز طراحی شده‌اند، فوتون‌های آبی را جذب و فوتون‌های سبز بسیار خالص (با پهنای طیفی کمتر از 30 نانومتر) منتشر می‌کنند. نقاط قرمز نیز به همین شکل کار می‌کنند. با ترکیب این سه رنگ خالص (قرمز، سبز، آبی)، نمایشگر تصویری با دقت رنگ بسیار بالا و مصرف انرژی کمتر ارائه می‌دهد.

اما حبس کوانتومی فقط به کاربردهای نمایشی محدود نیست. در فناوری سلول‌های خورشیدی، این پدیده می‌تواند بهره‌وری را فراتر از حد کلاسیک شوکلی–کوئیسر افزایش دهد. در یک سلول خورشیدی معمولی، یک فوتون با انرژی بالاتر از شکاف باند، اضافی انرژی‌اش را به صورت گرما از دست می‌دهد. اما در نقاط کوانتومی، به دلیل ساختار گسسته سطوح انرژی، این انرژی اضافی می‌تواند به جای تلف شدن، برای تولید چندین جفت الکترون–حفره

(Multiple Exciton Generation)

استفاده شود. این اثر، اگر به‌طور کارآمد کنترل شود، می‌تواند بازده نظری سلول‌های خورشیدی را به شکل چشمگیری افزایش دهد. در حوزه زیست‌پزشکی، نقاط کوانتومی حاصل از حبس کوانتومی به عنوان برچسب‌های فلورسانس با طول عمر بالا و مقاومت در برابر تخریب نوری

(Photobleaching)

استفاده می‌شوند. برای مثال، می‌توان نقاط کوانتومی را با لیگاندهای زیستی خاصی پوشش داد تا به مولکول‌ها یا سلول‌های هدف در بدن متصل شوند. سپس با تاباندن نور فرابنفش یا آبی، نقاط کوانتومی نور رنگی مشخصی گسیل می‌کنند و موقعیت مولکول یا سلول هدف را در یک میکروسکوپ فلورسانس آشکار می‌سازند. این روش، به دلیل روشنایی زیاد و پایداری طولانی، برتری زیادی نسبت به رنگ‌های آلی معمول دارد.
یکی از کاربردهای صنعتی برجسته حبس کوانتومی، لیزرهای نقاط کوانتومی

(Quantum Dot Lasers)

است که در مخابرات نوری و دیتاسنترها استفاده می‌شوند. در این نوع لیزرها، محیط فعال از نقاط کوانتومی تشکیل شده که حامل‌های بار را در سه بعد محبوس می‌کنند. این محبوس‌سازی باعث افزایش چگالی حالت‌ها در نزدیکی لبه باند و کاهش آستانه تحریک لیزر می‌شود. برای مدل‌سازی ساده، توان آستانه

P

به صورت تقریبی تابع معکوس ضریب بهره لیزر

g

است:

P∝1/g(N)

که

g(N)

تابعی از چگالی حالت

D(E)

و احتمال اشغال ترازها بر اساس توزیع فرمی-دیراک

f(E)

است:

g(N)∝∫D(E)f(E)σ(Ε)dE

در نقاط کوانتومی، به دلیل حبس سه‌بعدی،

D(E)

به شکل یک سری دلتا-تابع‌ها ظاهر می‌شود (حالت‌های گسسته)، در حالی که در چاه یا سیم کوانتومی پیوسته یا شبه‌پیوسته است. این ساختار گسسته باعث می‌شود بهره لیزر با تعداد کمتری حامل به اشباع برسد و در نتیجه آستانه تحریک چندین برابر کمتر از لیزرهای نیمه‌رسانای معمولی باشد. از نظر صنعتی، این یعنی لیزرهایی با مصرف انرژی بسیار کمتر، پایداری طول موج بالاتر، و عملکرد بهتر در دماهای متغیر—ویژگی‌هایی که برای لینک‌های نوری پرسرعت در مراکز داده حیاتی است.

BY انجمن علمی فیزیک و نجوم دانشگاه صنعتی امیرکبیر