Kvantprick

Kolloidala kvantprickar bestrålade med UV-ljus. Olika stora kvantprickar avger olika färger av ljus på grund av kvantinneslutning.

En kvantprick (QD) är en mycket liten kristall av ett halvledarmaterial, typiskt sett ett par nanometer stor, som på grund av sin litenhet och kvantmekaniska fenomen får andra optiska och elektroniska egenskaper än en större kristall av samma material. 2023 års Nobelpris i kemi tilldelades Louis Brus, Moungi Bawendi och Aleksej Jekimov för upptäckten och utvecklingen av kvantprickar.

Egenskaper

Kvantprickar har en central betydelse i nanoteknologi och materialvetenskap. Om en kvantprick belyses med ultraviolett ljus kan den sända ut eget ljus i en annan våglängd. Effekten kallas fotoluminiscens, och beror på att en elektron i kvantpricken exciteras till en högre energinivå. När den sedan återgår till sin tidigare energinivå avger den en foton. Färgen på det emitterade ljuset beror på energiskillnaden mellan de diskreta energinivåerna för kvantpunkten i ledningsbandet och valensbandet.

Material i nanoskala med halvledaregenskaper begränsar antingen elektroner eller elektronhål tätt. Instängningen liknar en tredimensionell partikel i en lådmodell. Kvantpricksabsorptions- och emissionsegenskaperna motsvarar övergångar mellan diskreta kvantmekaniskt tillåtna energinivåer i lådan som påminner om atomspektra. Av dessa skäl kallas kvantprickar ibland konstgjorda atomer, vilket betonar deras bundna och diskreta elektroniska tillstånd, som naturligt förekommande atomer eller molekyler. Det har visats att de elektroniska vågfunktionerna i kvantprickar liknar dem i verkliga atomer.

Kvantprickar har egenskaper mellan bulkhalvledare och diskreta atomer eller molekyler. Deras optoelektroniska egenskaper förändras som en funktion av både storlek och form. Större kvantprickar med 5–6 nm diameter avger längre våglängder, med färger som orange eller röd. Mindre kvantprickar (2–3 nm) avger kortare våglängder, vilket ger färger som blått och grönt. De specifika färgerna varierar dock beroende på den exakta sammansättningen av kvantprickar.

Optiska egenskaper

Fluorescensspektra av CdTe-kvantprickar av olika storlekar. Kvantprickar av olika storlek avger ljus i olika färger på grund av kvantinneslutning.

Kvantprickar har fått intresse från det vetenskapliga samhället på grund av deras intressanta optiska egenskaper, de viktigaste är bandgapavstämning. När en elektron exciteras till ledningsbandet, lämnar den efter sig en tom plats i valensbandet som kallas hål. Dessa två motsatta laddningar är bundna av Coulombiska interaktioner i vad som kallas en exciton och deras rumsliga separation definieras av exciton Bohrradie. I en nanostruktur av jämförbar storlek med excitonens Bohrradie är excitonen fysiskt begränsad i halvledaren vilket resulterar i en ökning av materialets bandgap. Detta beroende kan förutsägas med Brusmodellen.

Figuren är en förenklad representation som visar den exciterade elektronen och hålet i en excitonenhet och motsvarande energinivåer. Den totala energin som är involverad kan ses som summan av bandgapenergin, energin involverad i Coulombattraktionen i excitonen och inneslutningsenergierna för den exciterade elektronen och hålet.

Eftersom inneslutningsenergin beror på kvantprickens storlek, kan både absorptionsstart och fluorescensemission ställas in genom att ändra storleken på kvantpricken under dess syntes. Ju större pricken är, desto rödare (lägre energi) börjar dess absorption och fluorescensspektrum. Omvänt absorberar mindre prickar och avger blåare (högenergi) ljus. Nya artiklar tyder på att formen på kvantpricken kan vara en faktor i färgningen också, men ännu (2005) finns inte tillräckligt med information tillgänglig. Vidare visades att livslängden för fluorescens bestäms av storleken på kvantpricken. Större prickar har mer nära åtskilda energinivåer där elektron-hål-paret kan fångas. Därför lever elektronhålpar i större prickar längre vilket gör att större prickar visar en längre livslängd.

För att förbättra fluorescenskvantutbytet kan kvantprickar göras med skal av ett halvledarmaterial med större bandgap runt dem. Förbättringen föreslås bero på den minskade åtkomsten av elektroner och hål till ickestrålande ytrekombinationsvägar i vissa fall, men också på minskad Auger-rekombination i andra.

Tillämpningar

Potentiella tillämpningar av kvantprickar är enkelelektrontransistorer, solceller, lysdioder, lasrar, enkelfotonkällor, generering av andraövertoner, kvantberäkning, cellbiologisk forskning, mikroskopi, och medicinsk bildvetenskap. Deras lilla storlek gör att vissa kvantprickar kan suspenderas i lösning, vilket kan leda till att de används i bläckstråleutskrifter och sprutmålning. De har använts i Langmuir-Blodgett tunnfilm. Dessa bearbetningstekniker resulterar i billigare och mindre tidskrävande metoder för halvledartillverkning.

Historik

I tusentals år kunde glasmakare tillverka färgat glas genom att lägga till olika stoft och pulveriserade element som silver, guld och kadmium och använde sedan olika temperaturer för att framställa nyanser av glas. På 1800-talet började forskare förstå hur glasfärgen berodde på element och uppvärmnings-kylningstekniker. Man fann också att färgen för samma element och beredning berodde på stoftpartiklarnas storlek.

Herbert Fröhlich  utforskade på 1930-talet först idén att materialegenskaper kan bero på de makroskopiska dimensionerna hos en liten partikel på grund av effekterna av kvantstorlek.

De första kvantprickarna syntetiserades i en glasmatris av Alexei A. Onushchenko och Aleksej Jekimov 1981 vid Vavilov State Optical Institute och oberoende i kolloidal suspension av Luuois E. Brus team vid Bell Labs 1983. De teoretiserades först av Alexander Efros 1982. Det upptäcktes snabbt att de optiska förändringarna som uppträdde för mycket små partiklar berodde på kvantmekaniska effekter. Termen kvantprick dök först upp i en artikel som först skrevs av Mark Reed 1986. Enligt Brus myntades termen "kvantprick" av Daniel S. Chemla medan de arbetade på Bell Labs.

År 1993 rapporterade David J. Norris, Christopher B. Murray och Moungi Bawendi vid Massachusetts Institute of Technology om en syntesmetod för varminjektion för att producera reproducerbara kvantprickar med väldefinierad storlek och med hög optisk kvalitet. Metoden öppnade dörren till utvecklingen av storskaliga tekniska tillämpningar av kvantprickar inom en lång rad områden.

Se även

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Quantum dots, 16 februari 2025.

Noter

  1. ↑ ”Pressmeddelande: Nobelpriset i kemi 2023”. Kungliga Vetenskapsakademien. 4 oktober 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/213239-press-release-swedish/. Läst 13 oktober 2023.
  2. ↑ Silbey, Robert J.; Alberty, Robert A.; Bawendi, Moungi G. (2005). Physical Chemistry (4th). John Wiley & Sons. sid. 835
  3. ↑ Ashoori, R. C. (1996). ”Electrons in artificial atoms”. Nature 379 (6564): sid. 413–419. doi:10.1038/379413a0.
  4. ↑ Kastner, M. A. (1993). ”Artificial Atoms”. Physics Today 46 (1): sid. 24–31. doi:10.1063/1.881393.
  5. ↑ Banin, Uri; Cao, YunWei; Katz, David; Millo, Oded (Augusti 1999). ”Identification of atomic-like electronic states in indium arsenide nanocrystal quantum dots” (på engelska). Nature 400 (6744): sid. 542–544. doi:10.1038/22979. ISSN 1476-4687. https://www.nature.com/articles/22979.
  6. ↑ Murray, C. B.; Kagan, C. R.; Bawendi, M. G. (2000). ”Synthesis and Characterization of Monodisperse Nanocrystals and Close-Packed Nanocrystal Assemblies”. Annual Review of Materials Research 30 (1): sid. 545–610. doi:10.1146/annurev.matsci.30.1.545.
  7. ↑ Brus, L. E. (2007). ”Chemistry and Physics of Semiconductor Nanocrystals”. http://www.columbia.edu/cu/chemistry/fac-bios/brus/group/pdf-files/semi_nano_website_2007.pdf. Läst 7 juli 2009.
  8. ↑ ”Quantum Dots”. Nanosys – Quantum Dot Pioneers. Arkiverad från originalet den 8 december 2015. https://web.archive.org/web/20151208202048/http://www.nanosysinc.com/what-we-do/quantum-dots/. Läst 4 december 2015.
  9. ↑ Bera, Debasis; Qian, Lei; Tseng, Teng-Kuan; Holloway, Paul H. (24 mars 2010). ”Quantum Dots and Their Multimodal Applications: A Review”. Materials 3 (4): sid. 2260–2345. doi:10.3390/ma3042260.
  10. ↑ Van Driel, A. F. (2005). ”Frequency-Dependent Spontaneous Emission Rate from CdSe and CdTe Nanocrystals: Influence of Dark States”. Physical Review Letters 95 (23): sid. 236804. doi:10.1103/PhysRevLett.95.236804. PMID 16384329. Arkiverad från originalet den 2 maj 2019. https://web.archive.org/web/20190502102306/http://cops.tnw.utwente.nl/pdf/05/PHYSICAL%20REVIEW%20LETTERS%2095%20236804%20(2005).pdf. Läst 16 september 2007.
  11. ↑ Huffaker, D. L.; Park, G.; Zou, Z.; Shchekin, O. B.; Deppe, D. G. (1998). ”1.3 μm room-temperature GaAs-based quantum-dot laser”. Applied Physics Letters 73 (18): sid. 2564–2566. doi:10.1063/1.122534. ISSN 0003-6951.
  12. ↑ Lodahl, Peter; Mahmoodian, Sahand; Stobbe, Søren (2015). ”Interfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructures”. Reviews of Modern Physics 87 (2): sid. 347–400. doi:10.1103/RevModPhys.87.347. ISSN 0034-6861. https://arxiv.org/abs/1312.1079.
  13. ↑ Eisaman, M. D.; Fan, J.; Migdall, A.; Polyakov, S. V. (2011). ”Invited Review Article: Single-photon sources and detectors”. Review of Scientific Instruments 82 (7): sid. 071101–071101–25. doi:10.1063/1.3610677. ISSN 0034-6748. PMID 21806165.
  14. ↑ Senellart, Pascale; Solomon, Glenn; White, Andrew (2017). ”High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources”. Nature Nanotechnology 12 (11): sid. 1026–1039. doi:10.1038/nnano.2017.218. ISSN 1748-3387. PMID 29109549.
  15. ↑ Loss, Daniel; DiVincenzo, David P. (1998). ”Quantum computation with quantum dots”. Physical Review A 57 (1): sid. 120–126. doi:10.1103/PhysRevA.57.120. ISSN 1050-2947. https://arxiv.org/abs/cond-mat/9701055.
  16. ↑ Michalet, X.; Pinaud, F. F.; Bentolila, L. A.; Tsay, J. M.; Doose, S.; Li, J. J.; Sundaresan, G.; Wu, A. M.; et al. (2005). ”Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging, and Diagnostics”. Science 307 (5709): sid. 538–544. doi:10.1126/science.1104274. PMID 15681376. PMC: 1201471. https://archive.org/details/sim_science_2005-01-28_307_5709/page/538.
  17. ↑ Wagner, Christian; Green, Matthew F. B.; Leinen, Philipp; Deilmann, Thorsten; Krüger, Peter; Rohlfing, Michael; Temirov, Ruslan; Tautz, F. Stefan (6 juli 2015). ”Scanning Quantum Dot Microscopy” (på engelska). Physical Review Letters 115 (2): sid. 026101. doi:10.1103/PhysRevLett.115.026101. ISSN 0031-9007. PMID 26207484. https://arxiv.org/abs/1503.07738.
  18. ↑ Ramírez, H. Y.; Flórez, J.; Camacho, A. S. (2015). ”Efficient control of coulomb enhanced second harmonic generation from excitonic transitions in quantum dot ensembles”. Physical Chemistry Chemical Physics 17 (37): sid. 23938–23946. doi:10.1039/C5CP03349G. PMID 26313884.
  19. ↑ Coe-Sullivan, S.; Steckel, J. S.; Woo, W.-K.; Bawendi, M. G.; Bulović, V. (Juli 2005). ”Large-Area Ordered Quantum-Dot Monolayers via Phase Separation During Spin-Casting”. Advanced Functional Materials 15 (7): sid. 1117–1124. doi:10.1002/adfm.200400468.
  20. ↑ Xu, Shicheng; Dadlani, Anup L.; Acharya, Shinjita; Schindler, Peter; Prinz, Fritz B. (2016). ”Oscillatory barrier-assisted Langmuir–Blodgett deposition of large-scale quantum dot monolayers”. Applied Surface Science 367: sid. 500–506. doi:10.1016/j.apsusc.2016.01.243.
  21. ↑ Gorbachev, I. A.; Goryacheva, I. Yu; Glukhovskoy, E. G. (Juni 2016). ”Investigation of Multilayers Structures Based on the Langmuir-Blodgett Films of CdSe/ZnS Quantum Dots” (på engelska). BioNanoScience 6 (2): sid. 153–156. doi:10.1007/s12668-016-0194-0. ISSN 2191-1630.
  22. ↑ Achermann, Marc; Petruska, Melissa A.; Crooker, Scott A.; Klimov, Victor I. (December 2003). ”Picosecond Energy Transfer in Quantum Dot Langmuir−Blodgett Nanoassemblies”. The Journal of Physical Chemistry B 107 (50): sid. 13782–13787. doi:10.1021/jp036497r. ISSN 1520-6106. https://arxiv.org/abs/cond-mat/0310127.
  23. 1 2 3 Linke, Heiner (3 oktober 2023). ”Quantum dots — seeds of nanoscience”. The Royal Swedish Academy of Sciences. https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/advanced-chemistryprize2023.pdf.
  24. ↑ Montanarella, Federico; Kovalenko, Maksym V. (26 april 2022). ”Three Millennia of Nanocrystals” (på engelska). ACS Nano 16 (4): sid. 5085–5102. doi:10.1021/acsnano.1c11159. ISSN 1936-0851. PMID 35325541.
  25. ↑ Robinson2023-10-11T17:50:00+01:00, Julia. ”The quantum dot story” (på engelska). Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/features/the-quantum-dot-story/4018219.article. Läst 20 oktober 2023.
  26. ↑ Ekimov, A. I.; Onushchenko, A. A. (1981). ”Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников (The quantum size effect in three-dimensional semiconductor microcrystals)” (på ryska). JETP Letters 34: sid. 363–366. http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1030/article_15644.pdf.
  27. ↑ Ekimov, A. I.; Onushchenko, A. A. (1982). ”Quantum size effect in the optical-spectra of semiconductor micro-crystals”. Soviet Physics Semiconductors-USSR 16 (7): sid. 775–778.
  28. ↑ Ekimov, A. I.; Efros, A. L.; Onushchenko, A. A. (1985). ”Quantum size effect in semiconductor microcrystals”. Solid State Communications 56 (11): sid. 921–924. doi:10.1016/S0038-1098(85)80025-9.
  29. ↑ ”Nanotechnology Timeline”. National Nanotechnology Initiative. Arkiverad från originalet den 12 december 2016. https://web.archive.org/web/20161212064408/https://www.nano.gov/timeline. Läst 22 februari 2025.
  30. ↑ Kolobkova, E. V.; Nikonorov, N. V.; Aseev, V. A. (2012). ”Optical Technologies Silver Nanoclusters Influence on Formation of Quantum Dots in Fluorine Phosphate Glasses”. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics 5 (12). http://ntv.ifmo.ru/en/article/2412/vliyanie_serebra_na_rost_kvantovyh_tochek_vo_ftorofosfatnyh_steklah.htm.
  31. ↑ Rossetti, R.; Nakahara, S.; Brus, L. E. (15 juli 1983). ”Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution”. The Journal of Chemical Physics 79 (2): sid. 1086–1088. doi:10.1063/1.445834. ISSN 0021-9606.
  32. ↑ Brus, L. E. (Maj 1984). ”Electron–electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state”. The Journal of Chemical Physics 80 (9): sid. 4403–4409. doi:10.1063/1.447218. ISSN 0021-9606.
  33. ↑ ”History of Quantum Dots” (på brittisk engelska). Nexdot. https://nexdot.fr/en/history-of-quantum-dots/. Läst 8 oktober 2020.
  34. ↑ Reed, M. A.; Bate, R. T.; Bradshaw, K.; Duncan, W. M.; Frensley, W. R.; Lee, J. W.; Shih, H. D. (Januari 1986). ”Spatial quantization in GaAs–AlGaAs multiple quantum dots”. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics Processing and Phenomena 4 (1): sid. 358–360. doi:10.1116/1.583331. ISSN 0734-211X.
  35. ↑ ”Louis E. Brus life story”. www.kavliprize.org. https://www.kavliprize.org/louis-brus-autobiography. Läst 4 oktober 2023.
  36. ↑ Palma, Jasmine; Wang, Austin H. (6 oktober 2023). ”One Small Quantum Dot, One Giant Leap for Nanoscience: Moungi Bawendi '82 Wins Nobel Prize in Chemistry”. The Harvard Crimson. https://www.thecrimson.com/article/2023/10/6/nanoscience-bawendi-chemistry-nobel/.

Vidare läsning

Externa länkar