نقاط کوانتومي ــ يا نانوکريستال‌ها ــ در دستة نيمه‌رساناها جاي مي‌گيرند. نيمه‌رساناها اساس صنايع الکترونيک جديد هستند و در ابزارهايي مانند ديودهاي نوري و رايانه‌هاي خانگي به کار گرفته مي‌شوند. اهميت نيمه‌رساناها در اين است که رسانايي الکتريکي اين مواد را مي‌توان با محرک‌هاي خارجي مانند ميدان الکتريکي يا تابش نور تغيير داد، تا حدي که از نارسانا به رسانا تبديل شوند و مانند يک کليد عمل کنند. اين خاصيت، نيمه‌رساناها را به يکي از اجزاي حياتي انواع مدارهاي الکتريکي و ابزارهاي نوري تبديل کرده است.

نقاط کوانتومي، به خاطر کوچک بودنشان، دستة منحصربه‌فردي از نيمه‌رساناها به شمار مي‌روند. پهناي آنها، بين 2 تا 10 نانومتر، يعني معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در اين ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتي دارند و اين رفتار متفاوت قابليت‌هاي بي‌سابقه‌اي در کاربردهاي علمي و فني به نقاط کوانتومي مي‌بخشد.

روش ساختن نقاط کوانتومي

براي ساختن نقاط کوانتومي مي‌توان هم از روش‌هاي بالا به پايين و هم از روش‌هاي پايين به بالا استفاده کرد. روش‌هاي پايين به بالا امکان توليد انبوه و ارزان نقاط کوانتومي را ايجاد کرده‌اند. مزيت استفاده از روش‌هاي بالا به پايين، در امکان کنترل بيشتر محل نقاط کوانتومي و جاسازي آنها درون مدارهاي الکترونيکي يا ابزارهاي آزمايش است.
يکي از روش‌هاي پايين به بالا، سنتز کولوئيدي است. در اين روش، نمک‌هاي فلزي به صورت محلول تحت شرايط کنترل‌شده، به حالت بلوري درمي‌آيند. مهمترين مرحله در اين روش، جلوگيري از بزرگ شدن بيش از حد مطلوب اين بلورهاي نانومتري است که با تغيير دما يا افزودن موادّ خاتمه‌دهندة واکنش يا تثبيت‌کننده‌ها صورت مي‌گيرد. در اين حالت، براي جلوگيري از به‌هم‌پيوستن ذرات کوانتومي، آنها را با يک لايه از سورفَکتنت‌ها مي‌پوشانند. هر چه مراحل سنتز دقيق‌تر کنترل شوند ذرات يکنواخت‌تري به وجود مي‌آيند.

نوع خاصي از نشاندن لايه‌هاي نازک با استفاده از واکنش‌هاي الکتروشيميايي هم از روش‌هاي ديگر پايين به بالا براي ساختن نقاط کوانتومي هستند.

در روش‌هاي بالا به پايين، نقاط کوانتومي به صورت نقطه به نقطه روي سطوح سيليکون حک مي‌شوند. اين کار با استفاده ازليتوگرافي پرتو الکتروني يا ليتوگرافي قلم آغشته در ابعاد بسيار ريز امکان‌پذير است. در اين حالت، مي‌توان به‌دقت محل قرارگيري نقاط کوانتومي را کنترل کرد و با طراحي مدارهاي مناسب در اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

با استفاده از ليتوگرافي پرتو الکتروني مي‌توان نقاط کوانتومي را در محل مشخصي حک کرد و با طراحي مدارهاي مناسب اطراف آنها، بين يک يا چند نقطة کوانتومي با دنياي ماکروسکوپي ارتباط برقرار نمود.

کاربردهايي براي نقاط کوانتومي

یک. نشانگرهاي بيولوژيکي

امکان تابش در فرکانس‌هاي مطلوب، نقاط کوانتومي را ابزاري کارآمد براي نشانه‌گذاري و تصويربرداري از سلول‌هاي موجودات زنده ساخته است. مي‌توان نقاط کوانتومي را به انتهاي بيومولکول‌هاي بزرگ مانند پروتئين‌ها يا رشته‌هاي DNA متصل کرد و از آنها براي شناسايي و رديابي بيماري‌هاي درون بدن موجودات زنده استفاده کرد. تنوع طول موج‌هاي تابش نقاط کوانتومي اين امکان را فراهم آورده است که همزمان چندين نشانگر را در اجزاي سلول زنده به کار برد و از نحوه و ميزان برهمکنش آنها مطلع شد. 

پيش از اين از مولکول‌هاي رنگي براي اين کار استفاده مي‌شد که تنوع کمتري از نقاط کوانتومي از نظر رنگ‌ دارند و بيشتر باعث اختلال در فعاليت سلول‌هاي زنده مي‌شوند و براي به‌کارگيري در درون بدن موجودات زنده مناسب نيستند.

دو. ديودهاي نوراني سفيد

قابليت تنظيم اندازة گپ انرژي با نقاط کوانتومي، اين قابليت را در اختيار ما مي‌گذارد که آنها را به عنوان ديود نوراني به کار بگيريم. به اين ترتيب، مي‌توان به بازة بيشتري از رنگ‌ها دست يافت و منابع نور با کارآيي بسيار بالا ايجاد کرد. همچنين با ترکيب نقاط کوانتومي با ابعاد مختلف، مي‌توان منابع پربازده براي توليد نور سفيد ايجاد کرد، زيرا همة آنها را مي‌توان از يک طريق برانگيخت.

مي‌دانيم که نور سفيد را مي‌توان به نورهايي با رنگ‌هاي مختلف تجزيه کرد؛ مانند همان چيزي که در رنگين‌کمان مشاهده مي‌کنيم. معکوس اين حالت هم امکان‌پذير است، يعني مي‌توان با ترکيب سه پرتو نوري يا بيشتر، با طول موج‌هاي مختلف، نوري توليد کرد که سفيد به نظر بيايد. با آنکه نقاط کوانتومي در ابعاد مختلف طول موج‌هاي مختلفي تابش مي‌کنند، اما همة آنها را مي‌توان با يک پرتو نور داراي طول موجي در محدودة ماوراي بنفش تحريک کرد. درست مانند شکل (ارلن‌هاي رنگي) که همة محلول‌ها تحت تابش يک منبع قرار دارند. حال اگر سه تا از اين محلول‌ها، و حتي بيشتر، را مخلوط کنيم، با جذب نور ماوراي بنفش، نور سفيدرنگي از خود ساطع مي‌کنند. چون طيف تابشي نقاط کوانتومي بسيار باريکتر از لامپ‌هاي التهابي است، ديگر اتلاف انرژي به صورت نور مادون قرمز، که در روشنايي لامپ بي‌تأثير است، وجود ندارد. در نتيجه، منبع نور سفيد با بازدهي بسيار بيشتري خواهيم داشت.

سه. اتم‌هاي مصنوعي

باردار کردن نقاط کوانتومي، به علت کوچکي، به سادگيِ باردار کردن اجسام بزرگ نيست. براي اضافه کردن هر الکترون به يک نقطة کوانتومي، بايد بر انرژي الکترواستاتيک بين الکترون‌هاي روي نقطة کوانتومي غلبه کرد. اين کار را با اِعمال ميدان الکتريکي انجام مي‌دهند. الکترون‌هايي که به نقاط کوانتومي اضافه مي‌شوند، در ترازهاي گسستة انرژي قرار مي‌گيرند. اين ترازها شبيه ترازهاي مختلف اتم‌هاي عناصرند. به همين علت، به اين نقاطِ کوانتومي باردارشده «اتم‌هاي مصنوعي» مي‌گويند که خواصي متفاوت از اتم‌هاي عناصر طبيعي دارند. اين اتم‌ها، امروزه موضوع تحقيقات وسيعي هستند و تعدادي از آنها به نام اولين کسي که اين آزمايش‌ها را رويشان انجام داده، نامگذاري شده است.

چهار. عناصر مدارهاي نوري

يکي از اصلي‌ترين چالش‌هاي صنعت ارتباطات، سرعت انتقال داده‌هاست که در حال حاضر به علت محدوديت طبيعيِ نيمه‌رساناهاي توده‌اي در جذب و پاسخ به سيگنال، نمي‌تواند بيشتر از اين شود. قابليت تنظيم انرژي گپ و به تبع آن طيف جذبي و خواص ويژة نقاط کوانتومي، مي‌تواند بر اين مشکل فائق آيد. نقاط کوانتومي همچنين قابليت ايجاد ليزرهاي کارآمدتر با اغتشاش کمتر براي ارتباطات سريع‌تر را فراهم مي‌کنند.

پنج. مولدهاي انرژي خورشيدي

در نبود سوخت‌هاي فسيلي، يکي از منابع مهم توليد انرژي الکتريکي، تابش خورشيد است. مشکل اصليِ مولدهاي کنونيِ انرژي خورشيدي، هزينة بالا و کارآيي کمِ آنهاست. سلول‌هاي خورشيدي از موادّ نيمه‌رسانا تشکيل شده‌اند که با جذب نور خورشيد، الکترون‌ها را به ترازهاي باند رسانش هدايت مي‌کنند و به نحوي باعث ايجاد نيروي محرکة الکتريکي مي‌شوند. بازدهي سلول‌هاي خورشيدي توسط طيف جذبي آنها که جزو خواص ذاتي نيمه‌رساناهاي توده‌اي است تعيين مي‌شود. با طراحي نقاط کوانتومي که بيشتر همپوشاني را در طيف جذبي با طيف نور خورشيد داشته باشند، مي‌توان بازدهي مولدهاي انرژي خورشيدي را تا بيش از 90 درصد افزايش داد.

باشگاه نانو