1

Puncte cuantice (quantum dots)

Punctele cuantice (atomi artificiali) sunt cristale semiconductoare cu band interzis mic i avnd dimensiuni de nanometri, ntr-un nveli dintr-un material cu band interzis larg (poate fi i dielectric). Aceste structuri prezint cel mai nalt grad de confinare (localizare) posibil pentru purttorii de sarcin.

Proprietile optice i electronice depind de dimensiuni,

forma geometric (sfere, cuburi, piramide, cilindri); adncimea gropii de potenial perturbatii externe.Metode de crestere1. Metoda Stranski-Krastanov Principiul const n depozitarea unui material (InAs) cu o constant de reea mai mare fa de substratul de GaAs (diferene aproximative ntre 1-8%). Aceast diferen va induce o tensiune mecanica. n urma depunerilor succesive, iniial se va forma un strat rezidual (wetting layer). Dup ce acesta va atinge o grosime critic, creterea 2D nu mai este favorabila energetic, fcndu-se tranziia la creterea 3D (fig. 3.23); stratul imediat urmtor va lua forma unor mici insule eliberndu-se astfel o parte din tensiunea creat iniial. Structurile rezultate sunt cunoscute n literatura de specialitate sub denumirea de self assembled/self organized quantum dots . Cele 2 sgei verzi indic apariia unor defecte n reeaua cristalindatorate relaxrii elastice; atomii exteriori nu respect riguros aranjarea normal.

Imagine a cristalelor de Ge pe substrat de Si, obinut cu ajutorul unui STM (Scanning Tunneling Microscope). Insulele au dimensiuni uzuale ntre 20-30 nm.Creterea SK s-a dovedit a fi cea mai de succes metod de fabricaie a mediului activ din componena laserilor, avnd ca avantaje: integrarea ntregului proces ntr-o singur etap tehnologic, densitatea mare a nanocristalelor rezultate pe acelai suport. Principalele limitri ale metodei sunt: costul de fabricaie, lipsa controlului poziionrii QD-urilor individuale ca i dificultatea realizrii contactului electric, motiv pentru care pe aceste structuri nu se studiaz fenomene de transport, avnd aplicaii mai mult n domeniul optoelectronicii (medii optice de stocare, laseri).2. Sinteza coloidal O alt metod de fabricare a nanoparticulelor este sinteza coloidal. Structurile obinute sunt fundamental diferite de cele rezultate prin creterea SK, mai ales prin faptul c n mod uzual nu sunt ataate de un substrat, fiind libere sau fcnd parte din diverse soluii sau mixturi. Primul pas n sinteza nanocristalelor semiconductoare este obinerea miezului structurii, ("core). n funcie de spectrul dorit se pot folosi materiale precum: CdS (ultraviolet), CdSe (vizibil), CdTe (infrarou apropiat). Formele sunt diverse: de la uzualele sfere sau cilindrii (rod), pn la mai puin folositele piramide. DAR - n straturile marginale apar defecte i imperfeciuni ale reelei cristaline, datorit contactului cu exteriorul;- datorit reactivitii mrite a stratului exterior, acesta se combin cu moleculele aerului sau ale solventului, impuritile atenund emisia de lumin.Problemele sunt rezolvate prin aplicarea unei pturi protectoare (shell) cu urmatoarele conditii:

- s nu influeneze emisia de lumin a miezului (transparen);

- s aib o structur cristalin apropiat de cea a miezului, pentru a nu introduce defecte;

- s aib o band interzis mai mare dect a miezului, pentru a avea loc fenomenul de confinare cuantic.

Un material uzual folosit n acest scop este ZnS. Pentru a mri gama de aplicaii ale QD se mai utilizeaz un ultim strat de molecule organice, dand posibilitatea utilizarii lor n aplicaii biologice. Astfel organismul uman nu va mai intra n contact direct cu un material potenial toxic.

Avantaje:

-costul cel mai sczut dintre toate metodele

-procesul poate avea loc i la temperatura camerei

-este cea mai puin toxic metod de sintez

-ofer un control mrit al dimensiunii i formelor nanocristalelor, prin ajustarea concentraiei mixturii (diametrul de ordinul nanometrilor pn la zeci de nanometri)

-numr mare de structuri rezultate la o singur sintez, care pot fi transferate mai trziu n orice substan, obiect sau chiar esut (aplicaii biologice)

Dezavantaje:

-dificultati in realizarea contactelor electrice, lucru care limiteaz folosirea lor n domenii specifice, cu precdere n biologie (markeri), dar i n optoelectronic (laseri);

-dimensiune mrit de eventualele straturi auxiliare.

3. Litografia cu jet de electroni (Electron Beam Lithography)Este o metod de generare a unui tipar (matri) pe o suprafa. Exist 2 variante principale ale acestei tehnologii:

a) Pe substratul activ se graveaz modelul dorit; apoi locurile goale astfel formate vor fi umplute cu materialul semiconductor ales ( fig. a). b) Se pornete de la o structur de tip quantum well n care alterneaz straturile de GaAs cu AlGaAs i electronii sunt confinai ntr-un plan formnd un gaz electronic bidimensional. De aceast dat, ns, nanocristalele vor rezulta ndeprtnd materialul prin gravur, ceea ce rmne fiind puncte cuantice uzual de form cilindric (fig. b,c)

Fig. a

Fig. b

Fig. cContactul electric se face destul de uor, fiind reprezentat n figura c de zonele mai nchise la culoare.

Avantaj: interconectarea nanodot-urilor ntre ele sau cu exteriorul usor de realizat. Structurile se folosesc n aplicaii ca tranzistorul cu un singur electron (SET- Single Electron Tranzistor), unde este necesar izolarea unui numr mic de electroni (chiar i un singur purttor de sarcin).

Unul dintre cele mai folosite materiale obtinute prin metoda coloidala este CdSe, care poate aprea cu sau fr un strat protector (ZnS, CdS). Proprieti:

banda interzisa larg, care se mrete o dat cu micorarea nanostructurii ;fotostabilitate mrit (minute) la temperatura camerei;

fotosenzitivitate bun;

randament cuantic mare (intensitate mare a radiaiei emise);spectru larg de absorbie;

spectru ingust de emisie.Dezavantaj: toxicitatea cadmiului (n aplicaiile bio), evitata prin cptuirea cu moleculele organice (pentru ca aceste structuri sunt compatibile cu o mare varietate de substane gazd (, polimeri)).

CdSe/ZnS variatie cu diametrul

Sunt utilizate datorit proprietilor de fluorescen indus prin expunere la lumin din domeniul u. v. (Electronii din nanostructur absorb lumina i trec pe nivele superioare; la revenire, n funcie de poziia nivelelor de energie de subband, pot emite radiaie de diferite culori).Nivele de energie in "quantum box"

Ordin de marime. Unei mriri a benzii interzise cu 1 eV i corespunde o deplasare cu =260nm. (Eg pentru CdSe=1.75 eV, 710 nm; daca Eg=2.75 eV, 450 nm)

Nivele de energie n QD sferice

Considerm un punct sferic de raz a. Strile electronice n banda de conducie se obin ca soluii ale ecuaiei Schrodinger

(S1)unde .

S2Soluiile sunt de forma

S3Funcia radial satisface ecuaia

,

S4unde .

S5Pentru starea fundamental, cu l = m = 0, ()

S6

rezult

.

S7nlocuind

S8obinem ecuaia pentru funcia

, .

S9Soluia general este

S10aa nct funcia de und radial

S11este finit n origine numai dac B = 0. n aproximaia gropii de potenial cu perei infinii, din condiia de continuitate a funciei n punctul , avem

S12sau

S13Prin urmare, nivelele de energie de subband pentru electroni

S14depind de raza a punctului cuantic.

Un calcul similar pentru golurile din banda de valen conduce la

S15unde este masa efectiv a golurilor. Rezulta

S16unde ( este masa redusa.

Un calcul mai precis tine seama de prezenta excitonilor in punctul cuantic.

Tabel 3.

TEMA 1. Pentru CdSe, calculati dependenta benzii interzise efective de raza punctului cuantic ( formula (S16)). Reprezentati si lungimea de unda a radiatiei emise functie de raza R pentru R in intervalul [1 - 5] nm. Comparati (pentru valori particulare ale razei) rezultatele teoretice pentru spectrul emis cu cele din figurile din curs.

diametru in A

Aplicaii QD

( laseri performani chiar n domeniul albastru, aproape imposibil de realizat pn acum civa ani;

( qubii pentru calculatoarele cuantice;

( elemente de marcaj n locul coloranilor organici.Marcarea prin fluorescen

Punctele cuantice pot nlocui coloranii moleculari utiluzai pn acum, mai ales n aplicaiile din biologie. Fluorescen: absorbia radiaiei incidente pe punctele cuantice, urmat de reemisie, dar cu lungime (lungimi) de und diferite. Spectrul emis depinde de raza nanostructurii i semnaleaz astfel prezena substanei marker. De exemplu, injectnd o substan marker ntr-o celul biologic, putem urmri aceast celul datorit fluorescenei.

Exist cteva motive care fac ca punctele cuantice s fie superioare markerilor moleculari:

- nanostructurile absorb o band larg de lumin, dar emit o band foarte ngust; n schimb, coloranii moleculari absorb o band ngust de lungimi de und, a.. cea mai mare parte a radiaiei incidente nu este utilizat. n plus, aceste molecule emit o band larg de radiaie. Prin urmare, dac vrem s marcm diferit cteva obiecte, avem nevoie de colorani moleculari foarte diferii, fiecare dintre ei necesitnd anumite lungimi de und pentru excitare. n cazul punctelor cuantice, lungimea de und emis depinde de dimensiune. Prin urmare, nanostructuri din acelai material semiconductor, dar avnd raze diferite, pot fi excitate cu aceeai surs de lumin, dar ele vor emite distinct, fiecare alt lungime de und;

- o alt caracteristic este legat de faptul c punctele cuantice pot fi ataate la orice tip de molecul de studiat. Coloranii moleculari au anumite caracteristici, datorit crora ei se pot lega sau nu de o molecul sau de o suprafa. n schimb, nanostructurile pot fi preparate a.. s fie legate de anumite obiecte, chiar la nivel molecular.

- n punctele cuantice pot apare efecte optice neliniare; de exemplu, aceste materiale pot absorbi doi fotoni cu lungimi de und mari i emit un singur foton cu lungime de und mic. Putem atunci utiliza un fascicul laser care emite radiaie de energie mic (i care nu este absorbit de esuturile interne ale pielii), dup ce n vasele de snge au fost injectate nanostructuri. Cnd punctele cuantice ajung n regiunea n care este focalizat radiaia laser, ele vor absorbi simultan doi fotoni, a.. lumina emis s fie n domeniul vizibil. Aceast fluorescen permite fotografierea (vizualizarea) vaselor de snge sau ale tumorilor fr a opera esutul.

_1241858486.unknown

_1241859721.unknown

_1427009461.unknown

_1427009651.unknown

_1427087024.unknown

_1427088644.unknown

_1461506881.unknown

_1427086751.unknown

_1427009600.unknown

_1241860095.unknown

_1241860321.unknown

_1427009218.unknown

_1241860226.unknown

_1241859756.unknown

_1241859067.unknown

_1241859562.unknown

_1241859647.unknown

_1241859199.unknown

_1241859348.unknown

_1241859119.unknown

_1241858809.unknown

_1241859000.unknown

_1241859047.unknown

_1241858902.unknown

_1241858575.unknown

_1241858083.unknown

_1241858274.unknown

_1241857602.unknown