miniatura|Puncte cuantice coloide iradiate cu lumină UV. Punctele cuantice de dimensiuni diferite emit culori diferite de lumină datorită confinării cuantice. Punctele cuantice (în , QD) sau nanocristalele semiconductoare sunt particule semiconductoare de dimensiuni nanometrice, având proprietăți optice și electronice distincte față de particulele mai mari datorită efectelor cuantice. Ele reprezintă un subiect central în nanotehnologie și știința materialelor. Când un punct cuantic este iluminat de lumină UV, un electron din punctul cuantic poate fi excitat într-o stare de energie mai mare. În punctele cuantice semiconductoare, acest proces corespunde tranziției unui electron din banda de valență în banda de conducție. Electronul excitat poate reveni ulterior în banda de valență, eliberând energie sub formă de lumină. Această emisie de lumină (fotoluminiscență) depinde de diferența de energie dintre banda de conducție și banda de valență, sau de tranziția între stările de energie discrete atunci când structura de bandă devine insuficient definită în QD.
Materialele semiconductoare la scară nanometrică confinează fie electronii, fie golurile de electroni. Acest proces de confinare este similar modelului unei particule într-o cutie tridimensională. Caracteristicile de absorbție și emisie ale punctelor cuantice corespund tranzițiilor între niveluri de energie discrete, permițând analogia cu spectrele atomice. Din acest motiv, punctele cuantice sunt uneori denumite atomi artificiali, subliniind stările lor electronice discrete, asemănătoare atomilor sau moleculelor naturale. Funcțiile de undă electronice din punctele cuantice au fost demonstrate a semăna cu cele din atomii reali. Prin cuplarea a două sau mai multe puncte cuantice, se poate crea o moleculă artificială, care prezintă hibridizare chiar și la temperatura camerei. Asamblarea precisă a punctelor cuantice poate forma rețele care se comportă ca materiale solide artificiale, cu proprietăți unice optice și electronice.
Punctele cuantice prezintă proprietăți intermediare între semiconductoarele în volum și atomii sau moleculele discrete. Proprietățile lor optoelectronice variază în funcție de dimensiune și formă. Punctele cuantice mai mari, de 5–6 nm, emit lungimi de undă mai mari, rezultând culori precum portocaliu sau roșu. Cele mai mici, de 2–3 nm, emit lungimi de undă mai scurte, cum ar fi albastru și verde, deși aceste culori specifice depind de compoziția exactă a punctului cuantic.
Aplicațiile potențiale ale punctelor cuantice includ tranzistori cu un singur electron, celule solare, LED-uri, lasere, surse de fotoni unici, generare de armonici superioare, calcul cuantic, cercetări în biologia celulară, microscopie, și imagistica medicală. Datorită dimensiunii lor mici, unele puncte cuantice pot fi suspendate în soluții, permițând utilizarea lor în imprimarea cu jet de cerneală și acoperirea prin rotire. Au fost folosite, de asemenea, în pelicule subțiri Langmuir–Blodgett, ceea ce oferă metode mai economice și rapide pentru fabricarea de semiconductori.
Structuri cu nucleu/înveliș și nucleu/înveliș dublu Punctele cuantice sunt, de obicei, acoperite cu liganzi organici, precum acidul oleic, pentru a controla creșterea, a preveni aglomerarea și a facilita dispersia în soluție. Totuși, aceste acoperiri organice pot duce la recombinarea non-radiativă după fotogenerare, ceea ce înseamnă că purtătorii de sarcină pot fi disipați fără emisia de fononi reducând randamentul cuantic. Pentru a combate acest efect, un strat semiconductor este adăugat în jurul nucleului punctului cuantic. În funcție de diferențele de energie dintre materialele nucleului și învelișului, proprietățile fluorescente pot fi ajustate. Ajustarea grosimii fiecărui strat și a dimensiunii totale a punctelor cuantice influențează lungimea de undă a emisiilor fotoluminiscente. Efectul de confinare cuantică tinde să deplaseze spectrele de emisie către lungimi de undă mai scurte (albastru) pe măsură ce punctul cuantic devine mai mic.
Există patru categorii majore de heterostructuri de puncte cuantice: tip I, tip invers I, tip II și tip invers II. În punctele cuantice de tip I, un nucleu semiconductor este încapsulat într-un material cu o diferență de energie mai mare, ceea ce poate îmbunătăți randamentul cuantic prin pasivizarea locurilor de recombinare non-radiativă. În cazul punctelor de tip invers I, stratul învelișului semiconductor are o diferență de energie mai mică, delocalizând purtătorii de sarcină. În punctele de tip II, separarea purtătorilor de sarcină are loc între nucleu și înveliș, influențând emisia fotoluminiscentă.
Unul dintre motivele pentru scăderea performanței punctelor cuantice poate fi atribuit tensiunii fizice exercitate asupra rețelei cristaline. Într-un studiu în care punctele cuantice de tip ZnSe/ZnS (tip I) și ZnSe/CdS (tip II) au fost comparate, diametrul nucleului neacoperit de ZnSe (obținut prin microscopie electronică de transmisie - TEM) a fost comparat cu diametrul nucleului acoperit (calculat prin modelul de aproximație a masei eficiente), pentru a înțelege mai bine efectul tensiunii nucleu-înveliș. Heterostructurile de tip I au fost găsite că induc tensiune de compresie, „strângând” nucleul, în timp ce heterostructurile de tip II au avut efectul de a întinde nucleul sub tensiune de tracțiune. Deoarece proprietățile fluorescente ale punctelor cuantice sunt dictate de dimensiunea nanocristalelor, schimbările induse în dimensiunile nucleului pot duce la o deplasare a lungimii de undă de emisie. Acest lucru subliniază necesitatea unui strat semiconductor intermediar pentru a rectifica nepotrivirea rețelei și a îmbunătăți randamentul cuantic.
Un astfel de sistem nucleu/înveliș dublu este nanocristalul CdSe/ZnSe/ZnS. Într-un studiu care compară nanocristalele CdSe/ZnS și CdSe/ZnSe, s-a constatat că primele au un randament fotoluminiscent (PL) de 84% comparativ cu cele din urmă, din cauza nepotrivirii rețelei. În cazul sistemului cu înveliș dublu, după sinteza nucleului CdSe, un strat de ZnSe a fost adăugat înainte de aplicarea unui înveliș exterior de ZnS, rezultând o îmbunătățire a eficienței fluorescente cu 70%. În plus, aceste straturi suplimentare au îmbunătățit rezistența nanocristalelor împotriva foto-oxidării, prevenind degradarea spectrelor de emisie.
De asemenea, este o practică obișnuită ca tehnicile de pasivizare a suprafeței să fie aplicate acestor sisteme nucleu/înveliș dublu. Așa cum s-a menționat anterior, acidul oleic este un ligand organic utilizat frecvent pentru a promova stabilitatea coloidală și a controla creșterea nanocristalelor. El poate fi utilizat chiar și pentru inițierea unui al doilea ciclu de schimb de liganzi și funcționalizare a suprafeței. Totuși, din cauza efectului dăunător pe care liganzii organici îl pot avea asupra eficienței fotoluminiscente, au fost realizate cercetări suplimentare pentru a dezvolta puncte cuantice complet anorganice. Într-un astfel de studiu, nanocristalele complet anorganice luminescente intens (ILAN) au fost sintetizate printr-un proces de schimb de liganzi, înlocuind sărurile metalice cu liganzii de acid oleic. S-a constatat că aceste nanocristale au randamente cuantice fotoluminiscente comparabile cu punctele cuantice existente care emit în roșu și verde.
Producție miniatura| Puncte cuantice cu emisie treptat de la violet la roșu intens Sinteza coloidală Nanocristalele semiconductoare coloidale sunt produse prin sinteză din soluții, similar cu alte procese chimice. Diferența majoră este că produsul final nu precipită sub formă de solid în masă și nu rămâne complet dizolvat. Prin încălzirea soluției la temperaturi ridicate, precursorii chimici se descompun formând monomeri care ulterior nuclează și formează nanocristale. Controlul temperaturii și al concentrației monomerilor este esențial pentru a obține dimensiuni uniforme și stabilitate. În funcție de concentrația de monomeri, este un alt factor critic care trebuie controlat riguros în timpul creșterii nanocristalelor. Procesul de creștere a nanocristalelor poate avea loc în două regimuri diferite: „focalizare” și „defocalizare”. La concentrații mari de monomeri, nanocristalele se pot dezvolta sub două regimuri: „focalizare” (în care particulele mici cresc mai repede) și „defocalizare” (în care particulele mari domină creșterea). Metode coloidale permit producerea multor tipuri de semiconductoare, incluzând compuși binari precum seleniura de plumb (PbSe), seleniura de cadmiu (CdSe), sulfura de cadmiu și arseniura de indiu (InAs). În plus, recent s-au realizat progrese în sinteza punctelor cuantice coloidale de perovskit, care oferă noi oportunități în domeniul nanomaterialelor. Dimensiunile punctelor cuantice tipice variază între 2 și 10 nanometri, iar la o scară de 10 nm, aproape 3 milioane de astfel de puncte ar putea fi aliniate într-o singură linie pe lățimea unui deget uman. miniatura| Imagine idealizată a nanoparticulei coloidale de sulfură de plumb (selenidă) cu pasivare completă de către acid oleic, oleil amină și liganzi hidroxil (dimensiune ≈5) nm) Sinteza prin plasmă Sinteza prin plasmă a devenit una dintre metodele preferate pentru producția de puncte cuantice, în special pentru materiale cu legături covalente, cum ar fi siliciul și germaniul. Această metodă permite un control precis asupra dimensiunii, formei și compoziției punctelor cuantice. Punctele cuantice obținute sunt de obicei sub formă de pulbere și pot fi dispersate în solvenți organici sau în apă, în funcție de necesitățile aplicațiilor.
Fabricarea punctelor cuantice Punctele cuantice pot fi fabricate folosind mai multe metode, inclusiv electrozi externi, doping, tensiune sau impurități. Punctele cuantice autoasamblate au de obicei dimensiuni între 5 și 50 nm, în timp ce cele definite litografic sau prin gravare pe gaze bidimensionale pot avea dimensiuni laterale între 20 și 100 nm.
Un exemplu de structură nucleu-înveliș este reprezentat de punctele cuantice CdSe sau PbS/ZnS. Pasivizarea suprafeței prin învelișuri sub-monostrat este o tehnică eficientă pentru îmbunătățirea proprietăților optoelectronice și stabilitatea punctelor cuantice. Punctele cuantice apar uneori spontan în structuri de puțuri cuantice din cauza fluctuațiilor de monostrat în grosimea puțului.
miniatura| Imagine cu microscopia electronică de transmisie cu scanare la rezoluție atomică a unui punct cuantic de arseniură de galiu indiu () îngropat în arseniură de galiu ()
Punctele cuantice autoasamblate se formează spontan în anumite condiții, în special în timpul tehnicilor de epitaxie cu fascicul molecular (MBE) și epitaxie din vapori organici metalici (MOVPE). Aceste metode implică creșterea unui material pe un substrat cu o nepotrivire de rețea, ceea ce generează tensiuni și determină formarea insulelor tridimensionale pe un strat subțire bidimensional (strat de umectare). Această metodă de creștere este cunoscută sub denumirea de creștere Stranski-Krastanov. Insulele formate pot fi îngropate sub un alt material pentru a forma puncte cuantice. De exemplu, punctele cuantice de arseniură de galiu indiu () crescute pe substraturi de arseniură de galiu () sunt utilizate pentru aplicații precum criptarea cuantică (surse de fotoni unici) și calculul cuantic. Dezavantajele principale ale acestei metode includ costurile ridicate de fabricație și lipsa controlului precis asupra poziționării punctelor cuantice individuale.