נקודה קוונטית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
Gnome-edit-clear.svg ערך זה זקוק לעריכה: הסיבה לכך היא: סובל מבעיות תרגמת.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.
נקודות קוונטיות בגדלים שונים המוארים באור אולטרה סגול.

נְקֻדָּה קְוַנְטית (באנגלית: Quantum dot או Qdot) היא חלקיק בסדר גודל ננומטרי, העשוי בדרך-כלל מוליך למחצה, אשר בו ישנו תיחום קוונטי (quantum confinement) בכל הממדים, כלומר פונקציית הגל של נושאי המטען בחומר (אלקטרון או חור) מתוחמות במרחב כמו בבור פוטנציאל. הנקודות הקונטיות התגלו בתחילת שנות ה-80, ומאז נחקרו שימושים שלהם בדימות רפואי, חישוב קוונטי, דיודות פולטות אור, תאים סולריים ועוד.

תיאור[עריכת קוד מקור | עריכה]

נקודות קוונטיות יכולות להיות בגדלים שונים, החל מננומטרים בודדים ועד לעשרות ננומטרים. בהתאמה הנקודות הקוונטיות מכילות בין עשרות לעשרות-אלפי אטומים.

התכונות הפיזיקליות של הנקודה הקוונטית, כמו בכל ננו-חלקיק, נקבעות ע"פ חומר הגלם ממנו מייצרים את החלקיק, גודלו וצורתו, בניגוד לחומר כפי שאנו מכירים מהעולם הרחב 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", כיוון שיש לאטומים וננו-חלקיקים תכונות דומות. 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. כיוון שניתן להנדס את הנקודות הקוונטיות, מבחינת החומרים המרכיבים והמבנה הגאומטרי, ניתן לתכנן אותן כך שיתאימו לאפליקציות ספיציפיות - אופטיות, אלקטרוניות וכדומה.

במוליכים למחצה ננומטרים ניתן ליצור אקסיטונים (מהמילה באנגלית עירור - excite להראות מצב מעורר של החומר), כמו במוליכים למחצה רגילים. אם יוצרים בנקודה קוונטית אקסיטון, האלקטרון והחור יהיו קשורים ומוגבלים לנוע בתוך הנקודה הקוונטית. על כן, לנקודה קווטית יש ספקטרום אנרגיה בדיד, כמו בבור פוטנציאל קוונטי, והיא מכילה מספר פסי הולכה קטן וסופי (בסדר של 1-100).

צורות ומבנים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן לייצר נקודות קוונטיות בצורות ובמבנים שונים. הצורות הנפוצות הן:

  • ננו-כדור - לעתים קרובות המושג "נקודה קוונטית" מתייחס רק לננו-חלקיקים כדוריים.
  • ננו-מוט - "ננו-מוטות" (באנגלית - Nano Rods), הינן נקודות קוונטיות בצורת מוט או גליל, עם ראש כיפתי מעוגל. בננו-מוטות התכונות הפיזיקאליות 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 אשר הליבה שלה עשויה מחומר מסוים, כאשר הליבה 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.

יצור[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. נקודות קוונטיות נוצרות לעתים נדירות באופן ספונטני, כתוצאה מתנודות אנרגטיות חזקות בבורות קוונטיים.
  2. נקודות קוונטיות שנבנו על ידי האדם יוצרות גרעין, שניתן עליו לגדל נקודות אחרות במבנים שונים.
  3. כאשר מגדלים שכבה של חומר על מצע באמצעות קרן מולקולות אפיטאקסית, אם יש חוסר התאמה בין קבועי הסריג של המצע והשכבה המגודלת, יכולים בתנאים פיזיקאליים 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 הינם נקודות קוונטיות הקבורות בתוך החומר.
  4. סינתזה קולאידית - 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 אשר צוברים 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.

יישומים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ננו-התקן המייצר אור נראה פרי מחקר של המעבדה הלאומית לוס אלמוס

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 ועוד.

שימוש נוסף לנקודות קוונטיות הוא ליצירת צבע בתמיסות. קודם לכן השתמשו בצבען אורגני אך בכל שנה שעוברת גודל הצורך לגמישות גבוהה יותר והצבעים המסורתיים פשוט 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 היבהוב אקראי בפלואורסצנציה (הארה) של הנקודות הקוונטיות, אך מחקרים עכשוויים מספקים שיטות שונות להתגבר על כך, דוגמת מבנה הליבה-מעטפת שהוזכר קודם לכן.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

ביבליוגרפיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]