נקודה קוונטית

נְקֻדָּה קְוַנְטית (באנגלית: Quantum dot או Qdot) היא חלקיק בסדר גודל ננומטרי, העשוי מוליך למחצה, אשר בו ישנו תיחום קוונטי (quantum confinement) בכל הממדים, כלומר פונקציית הגל של נושאי המטען (אנ') בחומר (אלקטרון או חור) תחומה במרחב כמו בבור פוטנציאל. הנקודות הקוונטיות התגלו בתחילת שנות ה-80 של המאה ה-20, ומאז נחקרו שימושים שלהם בדימות רפואי, חישוב קוונטי, דיודות פולטות אור, תאים סולריים ועוד. נקודות קוונטיות יכולות להיות בגדלים שונים, החל מננומטרים בודדים ועד לעשרות ננומטרים. בהתאם לכך נקודות קוונטיות מכילות בין עשרות לעשרות-אלפי אטומים. התכונות הפיזיקליות של נקודה קוונטית, כמו בכל ננו-חלקיק, נקבעות על-פי החומר ממנו היא עשויה, גודלה וצורתה. זאת בניגוד לחומר בעולם הַמַּקְרוֹסְקוֹפִּי בו הגודל והצורה אינם משפיעים על התכונות הפיזיקליות. דבר זה נובע מהתיחום הקוונטי החזק המשפיע על מבנה פסי האנרגיה של החומר. נקודות קוונטיות נקראות גם "אטומים מלאכותיים", מפני שלאטומים ולננו-חלקיקים יש תכונות משותפות. רמות האנרגיה שלהם מוגדרות באופן בדיד ושניהם מאגדים מספר קטן של אלקטרונים. בניגוד לאטומים, פוטנציאל התיחום בנקודות קוונטיות אינו חייב להיות בעל אפיונים סימטריים כדוריים, והוא תלוי במבנה הגאומטרי של הנקודה הקוונטית. בנקודות קוונטיות עם סימטריה כדורית, או נקודות קוונטיות שטוחות בעלות סימטריה עגולה, מעטפת פונקציית הגל זהה לזו המתוארת בכללי האטום של הונד (אנ'). כיוון שניתן להנדס את הנקודות הקוונטיות, מבחינת החומרים המרכיבים והמבנה הגאומטרי, ניתן לתכנן אותן כך שיתאימו לאפליקציות ספציפיות - אופטיות, אלקטרוניות וכדומה. במוליכים למחצה ננומטרים ניתן ליצור אקסיטונים (מהמילה באנגלית עירור - excite לעורר למצב אנרגטי גבוה של החומר), כמו במוליכים למחצה רגילים. אם יוצרים בנקודה קוונטית אקסיטון, האלקטרון והחור יהיו קשורים ומוגבלים לנוע בתוך הנקודה הקוונטית. על כן, לנקודה קוונטית יש ספקטרום אנרגיה בדיד, כמו בבור פוטנציאל קוונטי, והיא מכילה מספר פסי הולכה קטן וסופי (בסדר של 1–100). ניתן לייצר נקודות קוונטיות בצורות ובמבנים שונים. הצורות הנפוצות הן: ננו-כדור - לעיתים קרובות המושג "נקודה קוונטית" מתייחס רק לננו-חלקיקים כדוריים. ננו-מוט - "ננו-מוטות" (באנגלית - Nano Rods), הן נקודות קוונטיות בצורת מוט או גליל, עם ראש כיפתי מעוגל. בננו-מוטות התכונות הפיזיקליות מושפעות בצורה משמעותית מהצורה הגאומטרית. ברוב המקרים, ניתוח פיזיקאלי תאורטי של התכונות של ננו-מוטות, מתבצע באמצעות מודל של אליפסואיד, כיוון שקשה לנתח תכונות של גליל וישנם תחומים בהם לגליל אין פתרונות אנליטיים. המבנים הנפוצים: מבנה הומוגני - כל הנקודה הקוונטית בנויה מאותו החומר (או התרכובת). מבנה ליבה-מעטפת - (באנגלית Core-Shell) נקודה קוונטית שהליבה שלה עשויה מחומר מסוים, והליבה נעטפת במעטפת מחומר אחר. מבנה זה מסייע ביישומים אופטיים, כיוון שהוא מונע לכידה של נושאי המטען בפני השטח של הנקודה הקוונטית. מבנה ליבה-מעטפות מרובות - בנייה של מעטפות רבות על הליבה. מבנה מדורג - שינוי הדרגתי של החומר המרכיב את הנקודה הקוונטית מחומר מסוים לאחר. לדוגמה, ליבה העשויה מתרכובת GaAs כאשר המעטפת החיצונית עשויה מהתרכובת AlGaAs, אך המעבר אינו חד כמו במבנה ליבה-מעטפת אלא הדרגתי על ידי הוספת ריכוז הולך וגדל של אטומי Al. נקודות קוונטיות נוצרות לעיתים נדירות באופן ספונטני, כתוצאה מתנודות אנרגטיות חזקות בבורות קוונטיים. נקודות קוונטיות שנבנו על ידי האדם יוצרות גרעין, שניתן לגדל עליו נקודות אחרות במבנים שונים. כאשר מגדלים שכבה של חומר על מצע באמצעות קרן מולקולות אפיטאקסית, אם יש חוסר התאמה בין קבועי הסריג של המצע והשכבה המגודלת, יכולים בתנאים פיזיקליים מסוימים להיווצר "איים" במקום שכבה אחידה. תחת התנאים הנכונים, איים אלה יהיו בסדר גודל ננומטרי. גידול זה ידוע גם כגידול סטרנסקי-קרסטנוב. על האיים ניתן לגדל שכבה נוספת של חומר, כך שהאיים הם נקודות קוונטיות הקבורות בתוך החומר. סינתזה קולואידית - כאשר יוצרים סביבה גזית או נוזלית, בעלת ריכוזים מסוימים של מגיבים, נוצרת אינטראקציה כימית אשר במהלכה מתחיל "גירעון" של תרכובת. כלומר, מתוך הסביבה ההומוגנית, מתחילים להיווצר גרעינים של מולקולות שצוברים עוד ועוד מולקולות. אם מפסיקים את התהליך בזמן, מתקבלת תמיסה ובה חלקיקים ננומטרים שהם למעשה הנקודות הקוונטיות. ישנם מספר יתרונות לשיטת ייצור זו: ניתן לשלוט על גודל הנקודות הקוונטיות על ידי הפסקת התהליך לאחר פרקי זמן שונים. ניתן לבצע על נקודות קוונטיות קולואידיות מניפולציות רבות, דוגמת שיקוען בתמיסה, ריבודן על מצע וכדומה לצורכי מחקר או יישומים טכנולוגיים. מסיבות אלה, סינתזה קולואידית היא הדרך שבה מייצרים נקודות קוונטיות בייצור המוני. כיוון שניתן לשלוט על הגודל, הצורה וסוג החומר בנקודות הקוונטיות, ניתן לשלוט במידה טובה במיקום הרמות האנרגטיות השונות. עקב כך, המחקר העכשווי צופה שהנקודות הקוונטיות יוכלו להיות יעילות ביותר במגוון יישומים. דוגמאות לנושאים יישומיים הנחקרים כיום בהקשר זה הם לייזרי דיודה, מגברים אופטיים, תאים פוטו-וולטאים (במקום השימוש בסיליקון), חיישנים ביולוגיים לטובת רפואה, דימות ביולוגי (bioimaging)(אנ'), ועוד. שימוש נוסף לנקודות קוונטיות הוא ליצירת צבע בתמיסות. קודם לכן השתמשו בצבען אורגני אך בכל שנה שעוברת גדל הצורך לגמישות גבוהה יותר והצבעים המסורתיים אינם עומדים בסטנדרטים החדשים. למטרה זו נמצאו הנקודות הקוונטיות מתאימות מאוד שכן כמות הצבעים, התלויה בגודל החלקיקים, גדולה עד כדי אינסופית. בתחילה נקלעו לבעיה עקב הבהוב אקראי בפלואורסצנציה (הארה) של הנקודות הקוונטיות, אך מחקרים עכשוויים מספקים שיטות שונות להתגבר על כך, דוגמת מבנה הליבה-מעטפת שהוזכר קודם לכן. לרוב, המרווחים בין רמות האנרגיה בנקודה קוונטית אינם קבועים (זאת משום שהפוטנציאל שרואה אלקטרון הכלוא בנקודה הקוונטית אינו הרמוני). לכן, ניתן לעורר אופטית רק אחד מהמעברים הללו (ולא כמה בו-זמנית) על ידי בחירה מתאימה של צבע של האור המעורר. במקרה כזה, בנקודה קוונטית אחת יוכל להתעורר רק אלקטרון אחד. כאשר אלקטרון זה דועך לבסוף, תיפלט מנת אור אחת בלבד - פוטון בודד. לפיכך, נקודות קוונטיות בודדות משמשות כמקורות מוצקים לפוטונים בודדים. למקורות כאלו חשיבות רבה בתקשורת קוונטית, במדידה קוונטית ובחישוב קוונטי. ננו-חלקיק ננושל M. A. Reed, J. N. Randall, R. J. Aggarwal, R. J. Matyi, T. M. Moore, and A. E. Wetsel, Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure, Phys. Rev. Lett. 60, 535 (1988).[1] M. A. Reed, Quantum Dots, Scientific American 268, Number 1, 118, 1993.[2] Murray, C. B., Norris, D. J., & Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715, 1993. Peng, Z. A., Peng, X.; Formation of high-quality CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals using CdO as precursor (123), J. Am. Chem. Soc., 2001, 183-184. Wang, C., Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. Electrochromic nanocrystal quantum dots., Science 291 2390-2392 (2001). Michalet, X. & Pinaud, F. F. & Bentolila, L. A. & Tsay, J. M. & Doose, S. & Li, J. J. & Sundaresan, G. & Wu, A. M. & Gambhir, S. S. & Weiss, S. (2005, January 28). Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. In Science, 307, 538 – 544. Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. N-type colloidal semiconductor nanocrystals., NATURE 407 (6807): 981-983 OCT 26 2000 W. E. Buhro and V. L. Colvin, Semiconductor nanocrystals: Shape matters, Nat. Mater., 2003, 2, 138 139. S. Bandyopadhyay and A. E. Miller (2001). "Electrochemically self-assembled ordered nanostructure arrays: Quantum dots, dashes, and wires", Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices,6. High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy Conversion(הקישור אינו פעיל) R. D. Schaller and V. I. Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601 (2004) Michael J. Bowers II, James R. McBride, and Sandra J. Rosenthal (2005). [3], Journal of the American Chemical Society, October 18, 2005. מיכל סחף, גלילאו, נקודות קוונטיות במוליכים למחצה - חלק ראשון, באתר ynet, 1 בספטמבר 2005 האוניברסיטה העברית, ‏חוקר מהאוני' העברית הצליח ליצור מולקולות משתי נקודות קוונטיות, באתר "הידען", 26 בדצמבר 2019 נקודות קוונטיות, דף שער בספרייה הלאומית Marc A. Kastner, Artificial Atoms, Physics Today 46 (1), January 1993, עמ' 24-31 Quantum Dot Literature References, Nikon’s MicroscopyU