Kvanttäpp

Kvanttäpp (kvantpunkt) on fluorestseeruv, tavaliselt pooljuhtmaterjalist nanoosake, mille tüüpiline suurus on 10–100 aatomit (2–10 nm). Suuremad kvanttäpid võivad koosneda kuni 100 000 aatomist ja olla 50–100 nm suurused (näiteks InGaAs, CdSe, GaInP/InP). Sellise suurusega osakese käitumises ilmnevad kvantmehaanika nähtused. Kvanttäpis on laengukandjad (elektronid ja augud) piiratud kõigis kolmes ruumi mõõtmes.
Kvanttäpi omadused on pooljuhtide ja üksikmolekulidest ainete vahepealsed ning tugevalt seotud osakese mõõtmete ja kujuga . Kvanttäpi energiaspekter on diskreetne ning statsionaarsete energianivoode vaheline kaugus sõltub kvanttäpi suurusest (pöördvõrdelises sõltuvuses kvanttäpi mõõtme ruuduga) . Seetõttu saab kvanttäpi suuruse muutmisega muuta ergastamisel kiiratava valguskvandi energiat ja seega kiiratava valguse värvust – osakese suuruse vähendamisel muutub kiiratav valgus sinisemaks ja vastupidi. See ongi kvanttäpi põhiline eelis – võimalus kvanttäpi suuruse ja kuju muutmisega täpselt "häälestada" kiiratava valguse värvust.
Klaasmaatriksis kvanttäpid avastas Aleksei Jekimov 1981. aastal ning kolloidlahuses avastas need osakesed Louis E. Brus 1985. aastal . Termini "kvanttäpp" võttis kasutusele tolleaegne Texas Instrumentsi töötaja Mark Reed 1988. aastal .
Väljatöötamisel on kvanttäpitehnoloogial põhinevad valgusdioodid, kuvarid, laserid, transistorid, päikeseelemendid, markerid bioloogias ja piltdiagnostikaseadmed meditsiinis. Samuti on uuritud nende kasutamist kvantarvutites kvantbittidena.
Kvantpiirang pooljuhtides.
Mittekitsendatud (mittepiiratud) pooljuhtides on elektron-auk paar tüüpiliselt seotud iseloomuliku pikkusega sidemega, mida nimetatakse Bohri eksitonraadiuseks. Kui elektroni ja augu vahe on rohkem piiratud, muutuvad pooljuhi omadused. See efekt on kvandi piiramise üks vorm ning on üheks võtmeomaduseks paljudes levivates elektroonilistes struktuurides .
Piiratud kvantpunkti energiatasemeid saab hinnata, käsitledes neid kui tasemeid kolmemõõtmelises potentsiaalikastis, mille energiatasemete väärtused sõltuvad kasti mõõtmetest. Võrreldes kvantpunkti suurust elektroni ja augu lainefunktsioonide Bohri raadiustega on võimalik defineerida kolm erinevat juhtu. Tugevalt piiratud süsteemiks nimetatakse juhtu, kus kvantpunkti raadius on väiksem nii elektroni kui ka augu Bohri raadiustest. Nõrga piirangu korral on kvantpunkt neist suuremate mõõtmetega. Pooljuhtide korral, kus elektroni ja augu massid märgatavalt erinevad, esineb vahepealne piiratus, kus kvantpunkti raadius ühe laengukandja Bohri raadiusest suurem (tavaliselt augu), kuid teise laengukandja omast väiksem.
Tootmine.
Tulenevalt võimalustest, kuidas eksitoni pooljuhtides piirata, on võimalik kvantpiiratud pooljuhtstruktuure luua erinevate meetoditega. Enamasti kasutatakse kvantpunktide, -juhtmete ja -potentsiaaliaukude tootmiseks epitaksiaalseid meetodeid.
Kolloidne süntees.
Kolloidseid pooljuhtidest nanokristallide sünteesiks kasutatakse lahusteid, selles lahustunud lähteaineid ja orgaanilisi pindaktiivseid aineid. See meetod võimaldab luua kvantpunkte suuremates kogustes, mistõttu on see eelistatud meetod tööstuslikes rakendustes. see
Lahuse kuumutamine piisavalt kõrgele temperatuurile põhjustab lähteainete lagunemise monomeerideks, mis seejärel moodustavad nukleatsiooni tulemusena nanokristalle. Sünteesiks kasutatav temperatuur määrab tugevalt sünteesiprotsessi käigu – see peab olema piisavalt kõrge, et võimaldada aatomite ümberpaigutumist, kuid samas piisavalt madal, et võimaldada kristallide teket.
Teiseks tähtsaks parameetriks on monomeeride kontsentratsioon, mida tuleb sünteesi jooksul kontrollida. Kõrgete kontsentratsiooni väärtuste korral on nanokristallide kriitiline suurus (suurus, kus kristalli suurus enam ei muutu) üpriski väike, mis põhjustab peaaegu kõikide osakeste suurenemise. Sel juhul kasvavad väikesed osakesed kiiremini kui suuremad, mis põhjustab monodisperssete osakeste tekke. Selline kitsas nanokristallide suurusjaotus tekib juhul kui monomeeride kontsentratsiooni hoitakse sünteesi vältel väärtusel, kus olemasolevate nanokristallide keskmine suurus on natukene suurem kriitilisest suurusest. Vastasel juhul monomeeride kontsentratsioon sünteesi käigus väheneb, mistõttu kriitiline suurus omandab suurema väärtuse kui nanokristallide keskmine suurus ning saadud osakeste suurusjaotus laieneb.
Plasmasüntees.
Plasmasüntees on üks populaarsemaid gaasifaasilisi sünteesimeetodeid kvantpunktide sünteesimiseks. Mittetermilise plasma kasutamine võimaldab kontrollida loodavate kvantpunktide kuju, suurust, pinda ning koostist . Samuti on selle sünteesiviisi eeliseks võimalus lisada kvantpunkti lisandaatomeid, mis teiste meetodite puhul on osutunud keerukaks . Mittetermilise plasmaga sünteesitakse näiteks räni ja germaaniumi kvantpunkte. Plasmaga sünteesitud kvantpunktid on üldiselt pindtöödeldud pulbri kujul .
Viraalne süntees.
Geneetiliselt muundatud bakteriofaage ehk bakteriviirusi on võimalik kasutada kvantpunktide sünteesiks. See sünteesiviis põhineb nende kombinatoorsel faagidispleil põhineval meetodil, mistõttu suudavad nad tuvastada teatud tüüpi pooljuhtide pindu. Viiruselisi kristallstruktuure saab kujundada, muutes lahuse kontsentratsiooni, ioontugevust või välist magnetvälja.
Elektrokeemiline süntees.
Elektrokeemilise meetoditega on võimalik luua kõrge korrapäraga iseorganiseeruvaid kvantpunkte. Esmalt luuakse metallile eeskujuvorm elektrolüüt-metalli piirpinnal toimuva ioonilise reaktsiooni põhjustatud kvanttäpi iseenesliku organiseerumise tagajärjel. Seda vormi kasutatakse maskina, et söövitada nanostruktuure valitud substraadile.
Raskmetallivabad nanopunktid.
Seoses paljudes riikides kehtivate olmekaupades raskmetalli kasutamise piirangutega ei ole lubatud kasutada kaadmiumil põhinevaid kvantpunkte sellistes toodetes. Nende keeldude tõttu uuritakse erinevaid viise sünteesimaks ilma raskmetallideta nanopunkte, millel oleks kaadmium-seleen nanopunktidega sarnased optilised omadused. Sellised süsteemid on näiteks InP/ZnS ja CuInS/ZnS nanopunktid, mis kiirgavad tugevalt nähtavas ja infrapunases spektriosas .
Samuti uuritakse praegu kvantpunktide potentsiaalsete materjalidena peptiide. Kuna nad esinevad looduslikult kõikides organismides, siis nendel põhinevad kvantpunktid oleksid mittemürgised ja lihtsasti biolagunevad.
Kvanttäppide rakendusi.
Kvantpunkte kasutatakse optilistes rakendustes põhiliselt nende teoreetiliselt suure kvantide kiirgamistaseme tõttu . Elektrilistes rakendustes avaldub kvantpunktides Coulombi blokaadi nähtus ning nad käituvad kui üksikelektron-transistorid. Samuti on võimalik neid kasutada kvantarvutites põhiliste informatsiooniühikutena ehk kvantbittidena.
Kvantpunkti suuruse muutmise võimalus on paljudes rakendustes eeliseks. Näiteks suurem kvanttäpp ilmutab vähem teadaolevaid kvandi omadusi ning tema kiirgusspekter on võrreldes väiksemate kvanttäppidega nihutatud pikemate lainepikkuste poole.
Kvanttäppe saab ergastada kulla nanoosakeste poolt loodud lokaalsetes elektromagnetväljades, mida saab seejärel vaadelda (CdSe)ZnS nanokristallide fotoluminestsents ergastuse spektri pinnaplasmonresonantsilt (SPR). Tänu nende laiale ergastusprofiilile ja kitsale kiirgusspektrile sobivad kõrge kvaliteediga kvanttäpid optiliseks kodeerimiseks ja multipleksimiseks.
Kvanttäppide uuel põlvkonnal on potentsiaal rakusisesteks uuringuteks üksikmolekuli tasandil, kõrgresolutsiooniliseks rakuliseks kujutamiseks (pildiliseks reproduktsiooniks), pikaajaliseks "in vivo" rakkude liikumise jälgimiseks, kasvajaliste protsesside tabamiseks ja diagnoosimiseks.
Kvantarvuti.
Kvanttäpid on ühed potentsiaalsemad ained, mida saaks rakendada kvantarvutites. Väikese pinge rakendamisega on võimalik kontrollida elektronide voogu läbi kvantpunkti ning seeläbi saab mõõta spinnide ja teiste tarvilike füüsikaliste suuruste täpseid väärtusi. Kasutades põimitud kvantpunkte ehk kvantbitte, on võimalik teha erinevaid operatsioone ja arvutusi, ehk tegu on teoreetilise kvantarvuti võimalikkusega.
Päikeseelemendid.
2004. aastal tehtud uuring näitas, et erinevalt traditsioonilistel materjalidel põhinevatest päikeseelementidest suudavad plii(II)seleniidil põhinevad päikeseelemendid toota ühe kõrge energiaga footoni kohta enam kui ühe eksitoni . 2010. aastal demonstreerisid sama efekti ka Wyomingi Ülikooli teadlased, kasutades pliisulfid kvanttäppe, mis tekitasid iga footoni kohta kaks elektroni . Sellest tulenevalt on hinnatud, et kvantpunktid võivad suurendada praegu kasutatavate ränil põhinevate fotogalvaaniliste rakkude efektiivsust ja vähendada ka maksumust. 2014. aasta seisuga on kvantpunktidel põhinevate päikeseelementide efektiivsus 7,0–8,7% .
Valgusdioodlamp (LED-lamp).
Alates 21. sajandi algusest on uuritud kvantpunktide potentsiaalset rakendamist valgusallikates ja kuvarites . Seni on leitud mitu teoreetilist meetodit, kuidas praegu kasutusel olevaid LED-lampe kvantpunktide abil edasi arendada. Kuna kvantpunktid kiirgavad monokromaatilist valgust, mida ei ole tarvis läbi värvifiltri lasta, siis on tegu suure efektiivsusega valgusallikaga. Kvantpunkt-valgusdioode (QD-LED) saab toota ränialusele, mida on võimalik seejärel integreerida ränipõhistele mikrokiipidele või mikroelektromehaanilistele süsteemidele .
Kvantpunkte kasutatakse kuvarite tootmisel, sest nad kiirgavad valgust kindlate Gaussi jaotuste kohaselt, mistõttu on neil põhinevad kuvarid elutruuma värvilahendusega. Erinevalt LCD-tehnoloogiast ei nõua QD-LED-tehnoloogia taustvalgustuse olemasolu.
Seni on kvantpunktkuvarid veel arendusjärgus, kuid neid kasutatakse vedelkristallkuvarite värviedastuse parandamiseks. 2015. aastal Las Vegases toimunud tarbeelektroonikanäitusel (Consumer Electronics Show) tutvustasid Samsung Electronics, LG Electronics, TCL Corporation ja Sony vedelkristallkuvareid, mille LED-taustvalgustust oli täiustatud kvantpunktide abil.
Fotokatalüsaator.
Kvantpunkte on võimalik kasutada fotokatalüsaatoritena, sest nad on võimelised välise valguse toimel konverteerima vett vesinikuks. Fotokatalüüsi käigus põhjustavad ergastatud elektron-auk paarid redoksreaktsioone ümbritsevas vedelikus. Selle fotokatalüütilise reaktsiooni aktiivsus on määratud kvantpunkti suurusega ja kvantpiirangute ulatusega . Nimetatud seose põhjuseks on fakt, et kvantpunktis oleva keelutsooni laius määrab ergastatud olekus kvantpunkti salvestatud keemilise energia. Fotokatalüüsi toimumise protsessi võib takistada kvantpunkti pinnal olev pindis, aeglustades aine või elektronide liikumist.
Bioloogilised rakendused.
Tänu suuremale varieerumise võimalustele on loodavad kvantpunktid võimelised asendama seni bioloogiliseks visualiseerimiseks kasutatavaid orgaanilisi värve . Võrreldes traditsiooniliste fluorestseeruvate värvidega on kvantpunktid suurema heledusega (tänu suuremale ekstinktsioonikoefitsiendile ning kvantsaagisele) ning samuti stabiilsemad. On hinnatud, et kvantpunktid on 20 korda heledamad ja 100 korda stabiilsemad kui seni kasutusel olevad värvid . Üksiku osakese korral on aga seni puuduseks fluorestsentsi katkendlikkus. Sellest tulenevalt on välja arendatud mitmeid kvantpunkte, mis on peaaegu mittevilkuvad .
Viimasel kümnendil on märgatavalt arenenud kvantpunktide kasutamine rakkudest kujutiste tekitamiseks ning nende markeerimiseks . Eelnevalt mainitud kvantpunktide stabiilsus võimaldab luua mitu järjestikust kujutist fokaaltasapindadest, millest on võimalik luua kõrgresolutsiooniline kolmemõõtmeline kujutis . Kvantpunkte on võimalik siduda antikehade, streptavidiini, peptiitide, DNA või nukleiinhappe aptameeride abil spetsiifiliste rakkude valkude külge. Seega on võimalik jälgida molekulide ja rakkude liikumist pika aja vältel. Näiteks on suudetud kvantpunkte jälgida hiirte lümfisõlmedes enam kui 4 kuud .
Kvantpunkte kasutatakse doonor-fluorofoorina Förster resonantsenergia ülekandes (FRET), kuna võrreldes molekulaarsete fluorofooridega on kvantpunktid puhtama spektriga ja suurema ekstinktsioonikoefitsiendiga . Tänu kvanttäpi laiale neeldumisspektrile on võimalik neid ergastada ilma värv-aktseptorit ergastamata .
On tõestatud, et kvantpunkti rakendamine on märgatavalt parem meetod väikese interfeeriva RNA ehk siRNA viimiseks rakku, võrreldes praegu kasutatavate meetoditega.
Kvantpunktide rakendamise puuduseks on nende potentsiaalne mürgisus. Näiteks on CdSe nanokristallid UV-kiirguse mõjul rakkudele ohtlikult mürgised, sest selle kiirituse energia on lähedane CdSe nanokristallide kovalentsete sidemete keemilise energiaga . Selle tagajärjel võivad pooljuhtosakestest fotodissotsiatsiooni tulemusel vabaneda toksilised kaadmiumioonid. Ometigi on need kvantpunktid stabiilsed ja mittemürgised juhul, kui need on kaetud polümeerse pindisega ning puudub väline UV-kiirgus .