Punto cuántico

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Un punto cuántico es un fragmento de un conductor o semiconductor (por ejemplo , InGaAs , CdSe , CdS o GaInP/ InP ), cuyos portadores de carga ( electrones o huecos ) están limitados en el espacio en las tres dimensiones. El tamaño de un punto cuántico debe ser tan pequeño que los efectos cuánticos sean significativos [1] . Esto se logra si la energía cinética del electrón es notablemente mayor que todas las demás escalas de energía: principalmente mayor que la temperatura , expresada en unidades de energía.

El espectro de energía de un punto cuántico es discreto; depende de las dimensiones del punto cuántico y del perfil de energía potencial del portador de carga en él. Las distancias estimadas entre niveles de energía estacionarios adyacentes son del orden de (donde ħ es la constante de Planck reducida , d es el tamaño característico de un punto, m es la masa efectiva de un electrón en un punto). Como resultado, las propiedades electrónicas y ópticas de los puntos cuánticos ocupan una posición intermedia entre un semiconductor a granel y una molécula discreta [1] . $\hbar^{2}/2md^{2}$

En pocas palabras, un punto cuántico es un semiconductor cuyas características eléctricas dependen de su tamaño y forma. Cuanto más pequeño es el cristal, mayor es la distancia entre los niveles de energía. Por ejemplo, cuando un electrón se mueve a un nivel de energía más bajo , se emite un fotón ; dado que podemos controlar el tamaño del punto cuántico, podemos cambiar la energía del fotón emitido, lo que significa que podemos cambiar el color de la luz emitida por el punto cuántico. La principal ventaja de un punto cuántico es la posibilidad de un control de alta precisión sobre su tamaño y, por lo tanto, sobre su conductividad [2] , lo que permite crear fluoróforos de diferentes colores a partir del mismo material utilizando la misma técnica.

Los puntos cuánticos de diferentes tamaños se pueden ensamblar en nanopelículas multicapa degradadas.

Niveles de energía en un punto cuántico

El espectro de energía de un punto cuántico está determinado por el perfil de energía potencial de una partícula en él y se puede encontrar resolviendo la ecuación tridimensional estacionaria de Schrödinger . $U({\vec {r)))$

Por ejemplo, si en el área , y fuera de este área, entonces $tu=0$ $0<x<L$ ${\ estilo de visualización 0 <y <L}$ ${\ estilo de visualización 0<z<L}$ $U=+\infty$

E={\frac {\pi ^{2}\hbar ^{2}}{2mL^{2}}}\left(n_{x}^{2}+n_{y}^{2} +n_{z}^{2}\derecho)

donde , , son números naturales , similares a los niveles de energía en un pozo cuántico con paredes infinitas . ${\ estilo de visualización n_ {x}}$ ${\ Displaystyle n_ {y}}$ ${\ Displaystyle n_ {z}}$

Si en una región esférica y fuera de ella (esta es una de las aproximaciones adecuadas para puntos reales), entonces [3] $tu=0$ ${\ estilo de visualización 0<r<R}$ $U=+\infty$

E={\frac {\hbar ^{2}}{2mR^{2}}}\cdot \left(b_{n}^{l}\right)^{2}

donde es un entero no negativo , y es la raíz -ésima de la función de Bessel de un índice semientero ; para will be , y para otros hay tablas de ceros [4] . $yo$ ${\ Displaystyle b_ {n}^ {l}}$ $norte$ $J_{l+1/2}(b)$ $l=0$ $b_{n}^{l}=\pi n$ $yo$

Finalmente, si (un oscilador armónico cuántico tridimensional , que también es una buena aproximación para puntos reales; = const), entonces [5] $U=m\omega ^{2}r^{2}/2$ $\omega$

E=\hbar \omega \cdot \left(n_{x}+n_{y}+n_{z}+{\frac {3}{2}}\right)

Historia de la investigación

Los puntos cuánticos fueron obtenidos por primera vez en 1981 por Alexei Ekimov [6] [K 1] y luego, en 1983, por Louis Bruce en soluciones coloidales [8] [9] . La teoría de los puntos cuánticos fue presentada por primera vez por Alexander Efros en 1982 [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros y L. Bruce recibieron el premio R. V. Wood (2006) por el descubrimiento de los puntos cuánticos [11] . El término "punto cuántico" fue acuñado por Mark Reed .[12] . Los primeros puntos cuánticos fueron microcristales de CuCl cultivados en vidrios [6] [K 1] . En 1993 apareció un método para la síntesis de puntos cuánticos a partir de seleniuro de cadmio en forma de nanocristales coloidales, donde cada punto cuántico es un objeto aislado [13] . El rendimiento cuántico de fluorescencia de tales puntos fue solo del 10 % [14] . Su aumento significativo se logró mediante la formación de un caparazón alrededor del núcleo.

En junio de 2013 se publicó un artículo en Physical Review Letters con los resultados de un descubrimiento realizado por científicos del Instituto Indio de Ciencias de Bangalore . Según él, los puntos cuánticos creados sobre la base de una aleación de zinc, cadmio y azufre dopada con manganeso , brillan no solo en naranja, como se pensaba anteriormente, sino que también tienen una luminiscencia en el rango que va del verde oscuro al rojo. El significado práctico del descubrimiento es que los puntos cuánticos hechos de aleaciones dopadas con manganeso son más fuertes, más eficientes y más seguros.

Los más estudiados son los puntos cuánticos basados en seleniuro de cadmio . Pero con el advenimiento de la legislación que restringe el uso de materiales basados en metales pesados [15] , las tecnologías comenzaron a desarrollarse hacia la producción de puntos cuánticos que no contienen cadmio.

Tipos de puntos cuánticos

Hay dos tipos de puntos cuánticos (según el método de creación):

puntos cuánticos epitaxiales ;
puntos cuánticos coloidales .

Propiedades físicas y químicas

Amplio espectro de absorción , que permite que nanocristales de diferentes colores sean excitados por una única fuente de radiación.
Un pico de fluorescencia angosto y simétrico (sin una “cola” en la región roja, como en los tintes orgánicos , la mitad del ancho del pico de fluorescencia es de 25 a 40 nm), que proporciona un color puro: los puntos de 2 nm de tamaño son azul, 3 nm son verdes, 6 nm son rojos [16] .
Alto brillo de fluorescencia (rendimiento cuántico >50%).
Alta fotoestabilidad.

La mayoría de las propiedades de los QD, incluido el color de la radiación, dependen del tamaño, la forma y los materiales de los que están hechos.

Un punto cuántico puede ser un cristal semiconductor , en el que se realizan efectos de tamaño cuántico debido a un tamaño bastante pequeño. Un electrón en tal microcristal se siente como un electrón en un pozo de potencial tridimensional , tiene muchos niveles de energía estacionarios con una distancia característica entre ellos ; la expresión exacta de los niveles de energía depende de la forma del punto. Similar a la transición entre los niveles de energía de un átomo, se puede emitir un fotón durante la transición entre los niveles de energía de un punto cuántico . También es posible lanzar un electrón a un nivel de alta energía y recibir radiación de la transición entre niveles inferiores ( luminiscencia ). Al mismo tiempo, a diferencia de los átomos reales, es fácil controlar las frecuencias de transición cambiando el tamaño del cristal. En realidad, la observación de la luminiscencia de cristales de seleniuro de cadmio con una frecuencia de luminiscencia determinada por el tamaño del cristal sirvió como la primera observación de puntos cuánticos. ${\ estilo de visualización \ hbar ^ {2}/(2md^ {2})}$

Actualmente, muchos experimentos están dedicados a los puntos cuánticos formados en un gas de electrones bidimensional . En un gas de electrones bidimensional, el movimiento de los electrones perpendicular al plano ya está limitado, y la región en el plano se puede aislar usando electrodos metálicos de puerta superpuestos en la heteroestructura desde arriba. Los puntos cuánticos en un gas de electrones bidimensional se pueden conectar mediante contactos de túnel con otras regiones del gas bidimensional y se puede estudiar la conducción a través del punto cuántico. En tal sistema, se observa el fenómeno del bloqueo de Coulomb .

Diseños de puntos cuánticos

Un punto cuántico consta de un núcleo y una cubierta protectora hechos de un material con una banda prohibida más ancha . Reduce los defectos en la superficie del núcleo, lo que conduce a un aumento del rendimiento cuántico de fluorescencia de hasta un 90 %, evita la degradación del punto cuántico y la liberación de iones de cadmio tóxicos. El material del núcleo puede ser aleaciones CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; conchas - ZnS, CdS, ZnSe. Los puntos cuánticos para la investigación biomédica tienen dos capas más: un estabilizador y una capa de moléculas inertes ( péptidos , lípidos ) o una capa de hidroxilo neutro. El estabilizador (una cubierta de silicona, polímero o silicona) brinda protección a las estructuras internas de las influencias ambientales agresivas, determina la capacidad de los puntos cuánticos para dispersarse en solventes y la posibilidad de injertar varias moléculas biológicamente activas en su superficie, lo que proporcionará puntos cuánticos a los tejidos y células deseados. Los lípidos se utilizan para reducir la unión no específica [17] .

Los puntos cuánticos pueden tener varias formas y tamaños, pero la mayoría de las veces son esferas con un diámetro de 2 a 10 nm y constan de 10 3 a 10 5 átomos [ 1 ] .

Aplicaciones de los puntos cuánticos

Los puntos cuánticos son materiales prometedores en medicina, biología, óptica, optoelectrónica , microelectrónica, impresión y energía.

Los puntos cuánticos coloidales son un buen sustituto de los fósforos tradicionales, tanto orgánicos como inorgánicos. Los superan en fotoestabilidad, brillo de fluorescencia y también tienen algunas propiedades únicas [18] . Las propiedades ópticas de estos nanocristales se están utilizando en las aplicaciones más inesperadas que requieren una luminiscencia sintonizable conveniente, como la investigación biológica. Por ejemplo, los puntos cuánticos de diferentes tamaños penetran en diferentes partes de las células y las tiñen de diferentes colores [19] [20] .

Los puntos cuánticos se utilizan cada vez más como biomarcadores para la obtención de imágenes en medicina , por ejemplo, para teñir tumores o anticuerpos autoinmunes, administrar fármacos a los tejidos deseados (al unir fármacos a nanopartículas, se pueden dirigir con mayor precisión a los tumores) [21] .

Hasta hace poco tiempo, el uso generalizado de los puntos cuánticos en la electrónica estaba fuera de discusión, pero en los últimos años varias empresas han lanzado al mercado productos que utilizan estas nanopartículas. Entre los productos anunciados se encuentran tanto muestras experimentales como productos en masa. En 2010, LG Display creó las primeras pantallas prototipo basadas en puntos cuánticos [22] . En 2015, TPV Technology colaboró con QD Vision para desarrollar y comercializar el primer monitor de consumo basado en puntos cuánticos 276E6ADS [23] . Actualmente, los paneles LCD retroiluminados de puntos cuánticos ( QD-LED ) están instalados en sus televisores por Samsung , LG Electronics , Sony , TCL Corporation , Hisense . Hay un programa para crear dispositivos de visualización, donde los propios puntos cuánticos actuarán como emisores de luz [24] .

Posibles aplicaciones de los puntos cuánticos: transistores de efecto de campo , fotocélulas , LED , diodos láser [1] . Nexxus Lighting lanzó una lámpara LED en 2009 usando puntos cuánticos [25] .

Con base en QD, se pueden hacer recubrimientos que cambien la emisión de las fuentes de luz existentes o la luz solar, que se pueden aplicar, por ejemplo, en agricultura para convertir la luz ultravioleta en roja, que es útil para las plantas.

Los puntos cuánticos también se utilizan en células solares híbridas como material que convierte la energía solar en corriente eléctrica continua. El uso de puntos cuánticos en células solares multicapa permite lograr una absorción más eficiente de la radiación solar, ya que pueden absorber luz en un rango más amplio (incluidos el infrarrojo y el ultravioleta) que las células solares tradicionales [26] .

UbiQD, Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Los Alamos National Laboratory están desarrollando un concentrador solar luminiscente (LSC) basado en puntos cuánticos [27] [28] .

Se pueden incluir puntos cuánticos en la tinta para proteger los documentos y valores de la falsificación [29] [30] .

Los puntos cuánticos son uno de los principales candidatos para representar qubits en la computación cuántica .

En la industria del petróleo y el gas, los puntos cuánticos se utilizan en la tecnología de marcadores de pozos horizontales de GeoSplit [31] .

Métodos de obtención de puntos cuánticos

Hay dos métodos principales para crear puntos cuánticos: epitaxia y síntesis coloidal .

La epitaxia es un método de crecimiento de cristales en la superficie de un sustrato:

La mayoría de los compuestos se cultivan a partir de los elementos III (Ga, Al, In) y V (As, P, Sb) del grupo de la tabla periódica: A III B V. Los láseres semiconductores y los transistores de microondas se han creado sobre la base de tales QD.

Síntesis coloidal , en la que se mezclan sustancias en solución. Mediante síntesis coloidal, es posible obtener nanocristales recubiertos con una capa de moléculas tensioactivas adsorbidas. Por lo tanto, son solubles en solventes orgánicos y, después de la modificación, también en solventes polares. De particular interés son los puntos cuánticos fluorescentes obtenidos por síntesis coloidal, por ejemplo, los puntos cuánticos basados en calcogenuros de cadmio, dependiendo de su tamaño, emiten fluorescencia en diferentes colores.

Producción

Los puntos cuánticos para pantallas son fabricados por Nanosys. Presentó su tecnología QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) en la exhibición Society for Information Display (SID).) en 2011. Los primeros licenciatarios de esta tecnología fueron Samsung Electronics y 3M .

En 2004, se fundó QD Vision Laboratory (EE. UU., Lexington (Massachusetts) ) para desarrollar la tecnología QLED . Inicialmente, se suponía que fabricaría directamente subpíxeles de la matriz de la pantalla a partir de puntos cuánticos, pero la tecnología resultó ser compleja y costosa, y la empresa se concentró en mejorar la retroiluminación de las pantallas LCD basadas en puntos cuánticos [32] . Fue posible introducir la tecnología en la producción de televisores gracias a la cooperación con LG, Sony, TCL Group y Samsung, que compró QD Vision en 2016 [33] .

Nanoco tiene su propia tecnología para la producción de puntos cuánticos libres de cadmio, establecida en 2001 en Manchester . La empresa produce películas CFQD ® para pantallas e iluminación hortícola [34] . Su fábrica está ubicada en Runcorn .

Los materiales QD son fabricados por Dow Chemical . En 2013, recibió una licencia de Nanoco para producir, comercializar y vender sus materiales. En 2015, Dow Chemical construyó una planta en Cheonan (Corea del Sur) y lanzó la producción de puntos cuánticos libres de cadmio [35] . En su lugar, se utiliza indio . Los primeros televisores con esta tecnología fueron presentados por Samsung y LG en CES 2015.

Merck Group está desarrollando su propia tecnología QD[36] .

En Rusia, entre 2011 y 2014, la microempresa Centro de Pruebas Científicas y Tecnológicas Nanotech-Dubna produjo puntos cuánticos con la marca QDLight como parte de un proyecto conjunto con RUSNANO y el Instituto de Investigación de Acústica Aplicada de Empresas Unitarias del Estado Federal [37] [ 38] . En 2017, fue liquidado [39] .

Los puntos cuánticos para crear células solares son producidos por Quantum Materials Corporation y su subsidiaria Solterra Renewable Technologies utilizando su propia tecnología patentada [26] y QD Solar.

Véase también

Comentarios

↑ 1 2 El académico Zh. I. Alferov escribió sobre esto: " A. I. Ekimov y A. A. Onushchenko propusieron e implementaron los primeros puntos semiconductores - microcristales de compuestos A II B VI , formados en una matriz de vidrio " [7] .

Fuentes

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