Kvantové tečky

• Kvantové body jádrového typu
• Kvantové tečky s jádrem
• Slitinové kvantové tečky
• Použití kvantových teček
• Související produkty
• Reference

Kvantové tečky jsou drobné částice nebo nanokrystaly polovodičového materiálu o průměru 2-10 nanometrů (10-50 atomů). Poprvé byly objeveny v roce 1980.¹ Vykazují jedinečné elektronické vlastnosti, které jsou na pomezí mezi vlastnostmi objemových polovodičů a diskrétních molekul a které jsou částečně výsledkem neobvykle vysokého poměru povrchu k objemu těchto částic.^2-4 Nejviditelnějším výsledkem je fluorescence, při níž mohou nanokrystaly vytvářet výrazné barvy určené velikostí částic.

Vzhledem k jejich malým rozměrům jsou elektrony v těchto částicích uzavřeny v malém prostoru (kvantovém boxu), a pokud je poloměr polovodičového nanokrystalu menší než Bohrův poloměr excitonu (Bohrův poloměr excitonu je průměrná vzdálenost mezi elektronem ve vodivostním pásu a dírou, kterou zanechává ve valenčním pásu), dochází ke kvantování energetických hladin podle Pauliho'(obrázek 1)^5,6. Diskrétní, kvantované energetické hladiny těchto kvantových částic je přibližují více atomům než objemovým materiálům, a proto se jim přezdívá "umělé atomy". Obecně platí, že se zmenšující se velikostí krystalu se zvětšuje rozdíl energií mezi nejvyšším valenčním pásem a nejnižším vodivostním pásem. K excitaci bodu je pak zapotřebí více energie a současně se více energie uvolňuje při návratu krystalu do základního stavu, což vede k barevnému posunu vyzařovaného světla z červené na modrou. V důsledku tohoto jevu, mohou tyto nanomateriály vyzařovat jakoukoli barvu světla ze stejného materiálu pouhou změnou velikosti tečky. Navíc díky vysoké úrovni možné kontroly nad velikostí vyrobených nanokrystalů, lze tyto polovodičové struktury během výroby vyladit tak, aby vyzařovaly jakoukoli barvu světla.⁷

Kvantové tečky lze rozdělit do různých typů na základě jejich složení a struktury.

Obrázek 1. Rozdělení energetických hladin v kvantových tečkách v důsledku efektu kvantového omezení, polovodičová pásová mezera se zvětšuje se zmenšováním velikosti nanokrystalu.

Kvantové tečky typu core

Tyto nanotečky mohou být jednosložkové materiály s jednotným vnitřním složením, jako jsou chalkogenidy (selenidy, sulfidy nebo telluridy) kovů, jako je kadmium, olovo nebo zinek, například CdTe (výrobek č. 1), CdTe (výrobek č. 2) nebo CdTe (výrobek č. 3). 777951) nebo PbS (č. výrobku 747017). Foto- a elektroluminiscenční vlastnosti nanokrystalů jádrového typu lze jemně vyladit jednoduchou změnou velikosti krystalitů.

Kvantové tečky s jádrem

Luminiscenční vlastnosti kvantových teček vznikají rekombinací párů elektron-díra (rozpadem excitonu) zářivými cestami. K rozpadu excitonů však může docházet i nezářivými cestami, což snižuje kvantový výtěžek fluorescence. Jednou z metod používaných ke zlepšení účinnosti a jasu polovodičových nanokrystalů je pěstování obalů z jiného polovodičového materiálu s vyšší pásmovou mezerou kolem nich. Tyto částice s malými oblastmi jednoho materiálu vloženými do jiného s širší pásmovou mezerou jsou známé jako jádrové kvantové tečky (CSQD) nebo jádrové polovodičové nanokrystaly (CSSNC). Například kvantové tečky s CdSe v jádře a ZnS ve slupce (č. produktu 748056, 790192) dostupné od společnosti Sigma-Aldrich Materials Science vykazují více než 50% kvantový výtěžek. Potahování kvantových teček slupkami zlepšuje kvantový výtěžek pasivizací míst s nevyzařující rekombinací a také je činí odolnějšími vůči podmínkám zpracování pro různé aplikace. Tato metoda byla široce zkoumána jako způsob úpravy fotofyzikálních vlastností kvantových teček.^8-10

Legované kvantové tečky

Schopnost vyladit optické a elektronické vlastnosti změnou velikosti krystalitů se stala charakteristickým znakem kvantových teček. Ladění vlastností změnou velikosti krystalitů by však mohlo způsobit problémy v mnoha aplikacích s omezením velikosti. Vícesložkové tečky nabízejí alternativní metodu ladění vlastností bez změny velikosti krystalitů. Legované polovodičové nanotečky s homogenní i gradientní vnitřní strukturou umožňují ladění optických a elektronických vlastností pouhou změnou složení a vnitřní struktury bez změny velikosti krystalitů. Například legované kvantové tečky o složení CdS_xSe_1-x/ZnS o průměru 6 nm vyzařují světlo různých vlnových délek pouhou změnou složení (č. výrobku 1). 753742, 753793) (obrázek 2). Legované polovodičové kvantové tečky vzniklé slitím dvou polovodičů s různou energií pásmové mezery vykazovaly zajímavé vlastnosti odlišné nejen od vlastností jejich objemových protějšků, ale také od vlastností jejich mateřských polovodičů. Legované nanokrystaly tak mají kromě vlastností, které vznikají v důsledku efektů kvantové uzavřenosti, nové a další vlastnosti, které lze ladit podle složení.¹¹

Obrázek 2. Fotoluminiscence legovaných kvantových teček CdSxSe1-x/ZnS o průměru 6 nm. Materiál vyzařuje různou barvu světla vyladěním složení.

Aplikace kvantových teček

Jedinečná velikost a složení laditelné elektronické vlastnosti těchto velmi malých polovodivých kvantových teček je činí velmi atraktivními pro různé aplikace a nové technologie.¹²

Kvantové tečky jsou zvláště významné pro optické aplikace díky svým jasným a čistým barvám spolu se schopností vyzařovat duhové barvy ve spojení s vysokou účinností, delší dobou života a vysokým extinkčním koeficientem. Příkladem jsou LED diody a polovodičové osvětlení, displeje a fotovoltaika.^7,13,14

Vzhledem k tomu, že kvantové tečky mají nulový rozměr, mají ostřejší hustotu stavů než struktury s vyšším rozměrem. Jejich malá velikost také znamená, že elektrony nemusí urazit takovou vzdálenost jako u větších částic, a elektronická zařízení tak mohou pracovat rychleji. Příklady aplikací využívajících těchto jedinečných elektronických vlastností zahrnují mimo jiné tranzistory, solární články, ultrarychlé celooptické spínače a logická hradla a kvantové počítače.^13-15

Malé rozměry teček umožňují, aby se dostaly kamkoli do těla, což je činí vhodnými pro různé biomedicínské aplikace, jako je lékařské zobrazování, biosenzory atd. V současné době jsou biosenzory založené na fluorescenci závislé na organických barvivech se širokou spektrální šířkou, což omezuje jejich účinnost na malý počet barev a kratší dobu života pro značení látek. Naproti tomu kvantové tečky mohou vyzařovat celé spektrum, jsou jasnější a mají malou degradaci v průběhu času, čímž dokazují, že jsou lepší než tradiční organická barviva používaná v biomedicínských aplikacích.¹⁶

Odkazy:

1. Sreenivasan M. 1981. Cytology of a Spontaneous TriploidCoffea CanephoraPierre ex Froehner. Caryologia. 34(3):345-349. https://doi.org/10.1080/00087114.1981.10796901

2. Kastner MA. 1993. Artificial Atoms. Physics Today. 46(1):24-31. https://doi.org/10.1063/1.881393

3. Ashoori RC. 1996. Electrons in artificial atoms. Nature. 379(6564):413-419. https://doi.org/10.1038/379413a0

4. Collier CP, Vossmeyer T, Heath JR. 1998. NANOCRYSTAL SUPERLATTICES. Annu. Rev. Phys. Chem.. 49(1):371-404. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.49.1.371

5. Reimann SM, Manninen M. Electronic structure of quantum dots. Rev. Mod. Phys.. 74(4):1283-1342. https://doi.org/10.1103/revmodphys.74.1283

6. Bawendi MG, Steigerwald ML, Brus LE. 1990. The Quantum Mechanics of Larger Semiconductor Clusters ("Quantum Dots"). Annu. Rev. Phys. Chem.. 41(1):477-496. https://doi.org/10.1146/annurev.pc.41.100190.002401

7. Yoffe AD. 2001. Semiconductor quantum dots and related systems: Electronic, optical, luminescence and related properties of low dimensional systems. Advances in Physics. 50(1):1-208. https://doi.org/10.1080/00018730010006608

8. Rao CNR, Müller A, Cheetham AK. 2004. The Chemistry of Nanomaterials. https://doi.org/10.1002/352760247x

9. Dorfs D, Eychmüller A. 2006. Multishell Semiconductor Nanocrystals. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 220(12):1539-1552. https://doi.org/10.1524/zpch.2006.220.12.1539

10. Smith AM, Nie S. 2009. Next-generation quantum dots. Nat Biotechnol. 27(8):732-733. https://doi.org/10.1038/nbt0809-732

11. Vastola G, Zhang Y, Shenoy VB. 2012. Experiments and modeling of alloying in self-assembled quantum dots. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 16(2):64-70. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2011.10.004

12. Vahala KJ. 2003. Optical microcavities. Nature. 424(6950):839-846. https://doi.org/10.1038/nature01939

13. Nirmal M, Brus L. 1999. Luminescence Photophysics in Semiconductor Nanocrystals. Acc. Chem. Res.. 32(5):407-414. https://doi.org/10.1021/ar9700320

14. Sargent EH. 2012. Colloidal quantum dot solar cells. Nature Photon. 6(3):133-135. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.33

15. Zhao Y, Burda C. Development of plasmonic semiconductor nanomaterials with copper chalcogenides for a future with sustainable energy materials. Energy Environ. Sci.. 5(2):5564-5576. https://doi.org/10.1039/c1ee02734d

16. Medintz IL, Uyeda HT, Goldman ER, Mattoussi H. 2005. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nature Mater. 4(6):435-446. https://doi.org/10.1038/nmat1390