Քվանտային կետ

Քվանտային կետերը (ՔԿ) կիսահաղորդչային մասնիկներ են մի քանի նանոմետր չափսերով, ունեն օպտիկական և էլեկտրոնային հատկություններ, որոնք տարբերվում են ավելի մեծ մասնիկներից ՝ քվանտային մեխանիկայի շնորհիվ։ Դրանք նանոտեխնոլոգիայի հիմնական թեման են։ Երբ քվանտային կետերը ճառագայթվում են ուլտրամանուշակագույն լույսով, քվանտային կետի էլեկտրոնը կարող է գրգռվել անցնելով ավելի բարձր էներգետիկ մակարդակի։ Կիսահաղորդչային քվանտային կետի դեպքում այս գործընթացը համապատասխանում է էլեկտրոնի անցմանը վալենտային գոտուց դեպի հաղորդունակության գոտի։ Լույսի ճառագայթման արդյունքում, գրգռված էլեկտրոնը կորցնելով իր էներգիան կարող է հետ անցնել  վալենտային գոտու մեջ։ Լույսի ճառագայթումը (ֆոտոլյումինեսցենս) պատկերված է աջ նկարում։ Լույսի գույնը կախված է հաղորդունակության և վալենտային գոտու էներգիաների տարբերությունից։

Քվանտային կետերը երբեմն անվանում են արհեստական ատոմներ, քանի որ ունեն կապված, տարբերվող էլեկտրոնային վիճակներ, ինչպես բնականորեն առաջացող ատոմները կամ մոլեկուլները։ Ապացուցված է, որ քվանտային կետերում էլեկտրոնային ալիքի գործառույթները նման են իրական ատոմների։ Երկու կամ ավելի նման քվանտային կետերը միացնելով կարելի է ստանալ արհեստական մոլեկուլ նույնիսկ սենյակային ջերմաստիճանում։

Քվանտային կետերն ունեն միջանկյալ հատկություններ զանգվածային կիսահաղորդիչների և դիսկրետ ատոմների կամ մոլեկուլների միջև։ Նրանց օպտոէլեկտրոնային հատկությունները փոխվում են ինչպես ֆունկցիայով, այնպես էլ չափով և ձևով : Մեծ ՔԿ-երը (5-6 նմ տրամագծով) արձակում են ալիքի մեծ երկարություններ, գույներով արտայատված, դրանք են նարնջագույնը կամ կարմիրը։ Ավելի փոքր ՔԿ-երը (2–3 նմ) արձակում են ավելի փոքր ալիքի երկարություններ տալով կապույտ կամ կանաչ գույներ։ Այնուամենայնիվ, ՔԿ-ից արձակված գույները կարող են տարբերվել կախված Քկ-ի ճշգրիտ կազմից։

Քվանտային կետերի հավանական կիրառումը ներառում է մեկ-էլեկտրոնային տրանզիստորներ, արևային բջիջներ, LED- եր, լազերներ, մեկ ֆոտոնային աղբյուրներ, քվանտային համակարգիչներ, բջիջների կենսաբանական հետազոտություն և  այլն։

Արտադրություն 

Քվանտային կետեր ստանալու մի քանի եղանակ կա։ Հնարավոր մեթոդները ներառում են կոլոիդային սինթեզ, ինքնահավաքում և էլեկտրական պատնեշ։

Կոլոիդային սինթեզ 
Կոլոիդային կիսահաղորդչային նանոբյուրեղները ստացվում են լուծույթներից ավանդական քիմիական սինթեզի միջոցով։ Հիմնական տարբերությունն այն է, որ նյութը ոչ նստում է որպես զանգվածային պինդ նյութ, ոչ էլ լուծվում է։ Բարձր ջերմաստիճանում լուծույթի նախանյութերը(պրեկուրսորները) քայքայվում են առաջացնելով մոնոմերներ, որոնք այնուհետև առաջացնում են նանոկրիստալներ։ Ջերմաստիճանը կարևոր գործոն է նանոբյուրեղների աճի օպտիմալ պայմանները որոշելու համար։ Այն պետք է լինի այնքան բարձր, որ սինթեզի ընթացքում թույլ տա ատոմներին վերադասավորվել, մինչդեռ բավականաչափ ցածր՝ բյուրեղների աճին խթանելու համար։ Մոնոմերների կոնցենտրացիան ևս մեկ կարևոր գործոն է, որը պետք է խստորեն վերահսկվի նանոբյուրեղների աճի ընթացքում։ Նանոբյուրեղների աճի գործընթացը կարող է առաջանալ երկու տարբեր ռեժիմներում՝ «ֆոկուսացվելով» և «դեֆոկուսացնելով»։ Բարձր մոնոմերային կոնցենտրացիաներում կրիտիկական չափը (չափը, որտեղ նանոբյուրեղները չեն աճում և չեն նեղանում) համեմատաբար փոքր է, ինչը հանգեցնում է գրեթե բոլոր մասնիկների աճին։ Այս ռեժիմում ավելի փոքր մասնիկներն ավելի արագ են աճում, քան խոշորները (քանի որ ավելի մեծ բյուրեղները ավելի մեծ քանակությամբ ատոմների կարիք ունեն, քան փոքր բյուրեղները), ինչը հանգեցնում է չափի բաշխման կենտրոնացմանը՝ տալով գրեթե մոնոդիսպերսացված մասնիկների հավանական բաշխում։ Չափի կենտրոնացումը օպտիմալ է, երբ մոնոմերի կոնցենտրացիան պահպանվում է այնպես, որ ներկա նանոկրիստալի չափը միշտ մի փոքր ավելի մեծ լինի, քան կրիտիկական չափը։ Ժամանակի ընթացքում մոնոմերի կոնցենտրացիան նվազում է, կրիտիկական չափը դառնում է ավելի մեծ, քան առկա միջին չափն է և բաշխումը շեղվում է ։

Գոյություն ունեն կոլոիդային մեթոդներ `բազմապիսի կիսահաղորդիչներ արտադրելու համար։ Քվանտային կետերը պատրաստվում են երկուական միացություններից, ինչպիսիք են կապարի սուլֆիդը, կապարի սելենիդը, կադմիումի սելենիդը, կադմիումի սուլֆիդը, կադմիումի թելուրիդը, ինդիումի արսենիդը և ինդիումի ֆոսֆիդը ։ Կետերը կարող են պատրաստվել նաև երրորդական միացություններից, ինչպիսիք են կադմիումի սելենիդ սուլֆիդը։ Այս քվանտային կետերը կարող են պարունակել քվանտային կետի ծավալի ներսում 100-ից 100000 ատոմ, մոտ 10-ից 50 ատոմ տրամագծով։ Սա համապատասխանում է մոտ 2-ից 10 նանոմետրի, իսկ համեմատության համար նշենք, որ 10-նմ տրամագծով գրեթե 3 միլիոն քվանտային կետեր կարող էին ծայրից ծայր տեղավորվել մարդու բութ մատի լայնքով։

Պլազմայի սինթեզ 
Պլազմայի սինթեզը համարվում է ամենատարածված գազաֆազային մոտեցումներից մեկը քվանտային կետերի, հատկապես կովալենտային կապեր ունեցողների արտադրության համար Օրինակ, սիլիցիումի (Si) և գերմանիումի (Ge) քվանտային կետերը կարող են սինթեզվել օգտագործելով ոչ ջերմային պլազմա։ Քվանտային կետերի չափը, ձևը, մակերեսը և կազմը ամբողջությամբ կարող են վերահսկվել ոչ ջերմային պլազմայում։ Քվանտային կետերի համար բավականին դժվար թվացող դոպինգը նույնպես իրականացվել է պլազմայի սինթեզում։ Պլազմայի կողմից սինթեզված քվանտային կետերը սովորաբար ունենում են փոշու տեսք, որի համար կարող է իրականացվել մակերեսի փոփոխություն։ Սա կարող է հանգեցնել քվանտային կետերի գերազանց ցրման օրգանական լուծիչներում  կամ ջրում։

Գենետիկորեն մշակված M13 բակտերիոֆագի վիրուսները թույլ են տալիս պատրաստել կենսաքիմիական կառուցվածքներ քվանտային կետերից։ Նախկինում ցույց էր տրվել, որ գենետիկորեն մշակված վիրուսները կարող են ճանաչել հատուկ կիսահաղորդչային մակերեսներ կոմբինատոր ֆագի ցուցադրմամբ ընտրելու մեթոդի միջոցով։ Նաև հայտնի է, որ վայրի տիպի վիրուսների հեղուկ բյուրեղային կառուցվածքները (Fd, M13 և TMV ) կարգավորվում են լուծույթի կոնցենտրացիաների, լուծույթի իոնային ուժի և լուծույթների նկատմամբ կիրառվող արտաքին մագնիսական դաշտի վերահսկողության միջոցով։ Հետևաբար, վիրուսի հատուկ ճանաչման հատկությունները կարող են օգտագործվել անօրգանական նանոբյուրեղներ պատրաստելու համար։ Օգտագործելով այս տեղեկությունները 2000 թվականին ֆագի և ZnS պրեկուրսոր լուծույթից ստեղծվեց ինքնահավաք խմբեր, որոնք թույլ տվեցին փոխել ինչպես բակտերիոֆագի երկարությունը, այնպես էլ անօրգանական նյութի տեսակը գենետիկ փոփոխության և ընտրության միջոցով։

Ծանր մետաղից զերծ քվանտային կետեր 
Աշխարհի շատ տարածաշրջաններում կա ծանր մետաղների օգտագործման սահմանափակում կամ արգելք, ինչը նշանակում է, որ կադմիումի վրա հիմնված քվանտային կետերի մեծ մասն անօգտագործելի է սպառողական ապրանքների կիրառման համար։

Առևտրային կենսունակության համար մշակվել է սահմանափակ, ծանր մետաղից զերծ քվանտային կետերի շարք, որոնք կարող են պայծառ ճառագայթել սպեկտրի տեսանելի և  ինֆրակարմիրի մոտ տիրույթում և ունեն նմանատիպ օպտիկական հատկություններ ինչպես CdSe քվանտային կետերի հատկություններն են։ Այս նյութերից են InP / ZnS, CuInS / ZnS, Si, Ge և C :

Պեպտիդները հետազոտվում են որպես պոտենցիալ քվանտային կետի նյութ։

Առողջություն և անվտանգություն 
Որոշ քվանտային կետեր որոշակի պայմաններում վտանգներ են ներկայացնում մարդու առողջության և շրջակա միջավայրի համար։ Հատկանշական է, որ քվանտային կետերի թունավորության ուսումնասիրությունները կենտրոնացվել են կադմիում պարունակող մասնիկների վրա և դեռ պետք է փորձարկվեն կենդանիների վրա անցկացվող մոդելներում ֆիզիոլոգիապես համապատասխան չափաբաժին ստանալու համար։ Նրանց հավանական թունավորության գնահատումը բարդ է, քանի որ այդ գործոնները ներառում են այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են ՔԿ-ի չափը, լիցքը, կոնցենտրացիան, քիմիական կազմը, օքսիդատիվ և մեխանիկական կայունությունը։

Շատ ուսումնասիրություններ կենտրոնացվել են ՔԿ-ի ցիտոտոքսիկության մեխանիզմի վրա ՝ օգտագործելով բջջային մոդելի սխեմաներ։ Ուցադրվել է, որ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթման ազդեցությունից կամ օդով օքսիդացումից հետո, CdSe Քկ- երն ազատում են ազատ կադմիումի իոններ ոչնչացնելով բջիջները ։ Հաղորդվում է, որ II-VI խմբի ՔԿ- երը լույսի ազդեցությունից հետո առաջացնում են ռեակտիվ թթվածնի տեսակների առաջացում, ինչը, իր հերթին, կարող է վնասել բջջային բաղադրիչները, ինչպիսիք են սպիտակուցները, լիպիդները և ԴՆԹ-ն։ Որոշ ուսումնասիրություններ ցույց են տվել նաև, որ ZnS կճեպի ավելացումը խանգարում է ռեակտիվ թթվածնի տեսակների գործընթացին CdSe Քկ-երում։ ՔԿ-ի թունավորության մեկ այլ կողմն այն է, որ կան ՔԿ-ի չափից կախված ներբջջային ուղիներ, որոնք կենտրոնացնում են այդ մասնիկները բջջային օրգաններում, որոնք անմատչելի են մետաղական իոնների կողմից, ինչը կարող է հանգեցնել ցիտոտոքսիկության։ Բջջային միջուկում ՔԿ-ի տեղայնացմամբ պայմանավորված կան թունավորության տարբեր եղանակներ, որ կարող են ԴՆԹ-ի մուտացիա առաջացնել, որն էլ իր հերթին կառաջացնի այլ հիվանդություններ բջիջների հետագա սերնդի միջոցով։

Կիրառությունները 
Քվանտային կետերը հատկապես հեռանկարային են օպտիկական կիրառման համար` դրանց բեկման ցուցիչի բարձր գործակիցի շնորհիվ։ Նրանք գործում են ինչպես մեկ էլեկտրոնային տրանզիստորները և արտահայտում են Կուլոնի շրջափակման էֆեկտը։ Քվանտային կետերը դիտարկվում են նաև որպես քուբիթներ, որոնք էլ օգտագործվում են  քվանտային ինֆորմատիկայում, և կիրառվոմ են որպես ջերմային էլեկտրիկների ակտիվ տարրեր։

Հատկանշական է նաև քվանտային կետերի չափի փոփոխման հնարավորությունը։ Օրինակ, ավելի մեծ քվանտային կետերն ավելի փոքր սպեկտրի տեղաշարժ ունեն դեպի կարմիրը ավելի փոքր կետերի համեմատ և ունեն ավելի փոքր արտահայտված քվանտային հատկություններ։ Եվ ընդհակառակը, ավելի փոքր մասնիկները թույլ են տալիս օգտվել առավել նուրբ քվանտային էֆեկտներից։

Մոդելներ 
Քվանտային կետերի օպտիկական, էլեկտրոնային և կառուցվածքային հատկությունները մոդելավորելու համար գոյություն ունեն տեսական տարբեր մոդելներ՝ քվանտամեխանիկական, կիսադասական և դասական։

Քվանտամեխանիկական 
Քվանտային մեխանիկական մոդելները և քվանտային կետերի մոդելավորումը հաճախ ներառում են էլեկտրոնների փոխազդեցությունը կեղծ-պոտենցիալային կամ պատահական մատրիցների հետ։

Կիսադասական 
Քվանտային կետերի կիսադասական մոդելները հաճախ պարունակում են քիմիական պոտենցիալներ։ Օրինակ, N- մասնիկների համակարգի ջերմոդինամիկական քիմիական պոտենցիալը տրվում է այսպես․

 

որի էներգիայի անդամները կարելի է ստանալ որպես Շրյոդինգերի հավասարման լուծումներ։ Հզորության սահմանումը,

 ,

որտեղ պոտենցիալային տարբերությունը որոշվում է․

 

սա կարող է կիրառվել քվանտային կետի վրա առանձին էլեկտրոնների ավելացման կամ հեռացման միջոցով,

  և ,

Քվանտային կետի քվանտային հզորությունը որոշվում է․

Դասական մեխանիկա 
Քվանտային կետերում էլեկտրոնների էլեկտրաստատիկ հատկությունների դասական մոդելներն իրենց բնույթով նման են սֆերայի վրա էլեկտրոնները օպտիմալ կերպով բաշխելու Թոմսոնի խնդրին ։

Գնդաձեւ քվանտային կետերով սահմանափակված էլեկտրոնների դասական էլեկտրաստատիկ պատկերացումը նման է ատոմի Թոմսոնի  կամ պուդինգի մոդելին։

Պատմություն 
Քվանտային կետ տերմինը ստեղծվել է 1986 թվականին։ Դրանք առաջին անգամ սինթեզվել են ապակե մատրիցում Ալեքսեյ Էկիմովի կողմից 1981 թվականին, այնուհետև, կոլոիդային կասեցման մեջ Լուի Բրուսի կողմից՝ 1983 թվականին։ Առաջին անգամ դրանք տեսականորեն ներկայացրել է Ալեքսանդր Էֆրոսին 1982 թվականին։

Ծանոթագրություններ 

Զարգացող տեխնոլոգիաներ
Քվանտային քիմիա