نانوساختار کوانتومی

 

هنگامی که اندازه ی یک ماده به کمتر از 100 نانومتر می رسد، تغییرات مهمی در خواص آن مشاهده می شود. اگر یکی از ابعاد تا محدوده ی نانو کوچک شود و سایر ابعاد ماده بدون تغییر بماند در این وضعیت یک "نقطه ی کوانتومی" خواهیم داشت. اگر ماده را در دو بعد تا ابعاد نانو کوچک کنیم. آنگاه ساختار حاصل یک سیم کوانتومی خواهد بود. اگر سه بعد یک ماده را تا کمتر از 100 نانومتر کوچک کنیم، چاه کوانتومی خواهیم داشت. از آنجاییکه تغییرات در خواص این ساختارها ناشی از طبیعت کوانتوم - مکانیکی فیزیک در ناحیه ی فراکوچک می باشد، واژه ی کوانتوم به نام این ساختارها اضافه می شود. 

 

ساخت نانوساختارهای کوانتومی

 دو روش برای ساخت وجود دارد، روش "پایین به بالا" و "بالا به پایین" .

رهیافت پایین به بالا، گردآمدن، یکپارچه شدن و شکل گیری اتم ها و مولکول های منفرد به صورت یک ساختار است. این عملیات به صورت سلسله ای از واکنش های شیمیایی که به وسیله ی کاتالیست ها کنترل می شوند، انجام می گیرد. 

رهیافت بالا به پایین با یک الگوی بزرگ مقیاس آغاز می شود و به آرامی تا رسیدن به بعد مورد نظر، ابعاد آن کاهش می یابد. لیتوگرافی روشی است که برای این رهیافت انجام می شود. در این روش تشعشع از میان صفحه ای مسطح و سوراخ دار به روی سطحی که با یک ماده ی حساس به نور به نام رزیست روکش شده است، تابانده می شود. سپس لایه ی رزیست برداشته می شود. روی سطح چند عملیات شیمیایی انجام می گیرد تا نانوساختار تولید شود.

                     

                                      

                                                                              مراحل لیتوگرافی و ساخت نقطه کوانتومی

 

     با استفاده از روش لیتوگرافی می توان ساختارهای کوانتومی پیچیده تری ساخت. به عنوان مثال می توان از یک ساختار چاه کوانتومی چند لایه شروع کرد. بر سطح آن یک رزیست قرار داد و یک لایه پوشش که 6دایره روی آن بریده شده است، بر روی رزیست قرار داد. سپس  با انجام تمام مراحل لیتوگرافی، آرایه ای از نقاط کوانتومی خواهیم داشت.          

 

بررسی حرکت الکترون رسانس با تغییر اندازه و ابعاد

 

"اندازه و ابعاد چه تاثیری بر خواص مواد می گذارد؟" این پرسشی است که محققین پس از ساخت نانوساختارها از خود می پرسند تا بتوانند نانومواد را کاربردی کنند.   

برای بررسی تاثیر اندازه بر تعداد اتم های سطحی روابط زیر داده می شوند:

N_s=12n²

 N_T=8n³+6n²+3n

d=na

که در آنها a: ثابت شبکه ، N_s: تعداد اتم های سطحی، N_T: تعداد کل اتم ها، d:بعد مکعب، n: تعداد سلول واحد در هر ضلع

 

با توجه به روابط بالا برای مقادیر کوچک n، درصد بزرگی از اتم ها روی سطح قرار می گیرند که این وضعیت یکی از عوامل اصلی ویژگی های متفاوت نانوساختارها نسبت به مواد حجیم است. 

مسیر آزاد میانگین در فلزات به شدت به ناخالصی بستگی دارد. در فلزات مقدار پراکندگی باید در محدوده ی 2 تا 50 نانومتر باشد. البته در نمونه های با درجه ی خلوص بالا این مسیر طولانی تر خواهد بود. مقاومت یک رسانا یا نیمه رسانای چند بلوری تشکیل شده از میکروبلورک هایی با قطرهایی که بسیار بزرگتر از مسیر آزاد میانگین هستند مشابه با شبکه ای از مقاومت های متصل به هم است. اما هنگامی که ابعاد میکروبلورک ها به مقدار پراکندگی می رسد، مقاومت عمدتاً به مرزهای پراکنده کننده ی میان بلورها بستگی خواهد داشت. 

انواع مختلف نقص ها در یک شبکه می تواند حرکت رو به جلوی الکترون ها را مختل کند و در نتیجه رسانایی الکتریکی را محدود کنند. مانند تهی جا ها و نابجایی ها. اما نانوساختارها به قدری کوچک هستند که نمی توانند نقص های داخلی داشته باشند. 

دیگر اثر اندازه، از میزان آلاییدگی یک نیمه رسانا ناشی می شود. برای مرتبه های آلاییدگی نوعی 10¹⁴ تا 10¹⁸ دهنده بر سانتی متر مکعب، یک نقطه ی کوانتومی مکعبی به ضلع 100 نانومتر به طور متوسط ^1-10 تا 10³ الکترون رسانش خواهد داشت. بدین معنی است که به طور متوسط از هر 10 نقطه ی کوانتومی تنها یک نقطه یکی از این الکترون ها را دارا خواهد بود. 

 

حال نکته ای دیگری که در این مورد وجود دارد، هنگامی که ابعاد جسم، بزرگ و ماکروسکوپی باشد، الکترون های رسانش جایگزیده نیستند و آزادانه در سراسر محیط رسانایی حرکت می کنند. اگر یک یا چند بعد را به قدری کوچک کنیم که به چند برابر فواصل بین اتمی در شبکه برسد، وضعیت تغییر می کند و آنها محدودیت را تجربه می کنند. به عنوان مثال، قطر سیم های کوانتومی در ابعاد نانومتر است، بنابراین حرکت حامل ها در ابعاد عرضی محدودیت دارد و در جهت طول آزاد است. 

محدودیت الکترون ها به طیفی از انرژی های گسسته و از لحاظ کیفی مشابه منجر می شود. از اینرو بسیاری از خواص فلزات و نیمه رساناها به طور قابل توجهی با تغییر بعد، تغییر می کند. 

 

کابردها

برای فعالیت آشکارسازهای نوری فروسرخ از گذارهای فروسرخ استفاده شده است که دارای ترازهای انرژی چاه های کوانتومی هستند. تابش فروسرخ فرودی الکترون ها را به نوار هدایت بالا می برد. شارش جریان الکتریکی حاصل، میزانی برای شدت تابش فرودی است. پاسخ آشکارساز، جریان الکتریکی تولید شده بر وات تابش فرودی است. 

 

لیزرهای نقطه کوانتومی:

آشکارسازهایی که در بالا شرح داده شد، به حضور ترازهای انرژی گسسته در یک چاه کوانتومی که می توان در آنها گذارهایی در ناحیه فروسرخ القا کرد، بستگی دارد. عملکرد لیزر به حضور ترازهای گسسته انرژی نیازمند است. نور گسیل شده از لیزر تکفام و همدوس است. لیزرهای چاه کوانتومی و سیم کوانتومی ساخته شده اند که از این گذارهای گسیل لیزری استفاده می کنند. این وسیله الکترون های رسانشی دارند که برای آن ها محدودیت و جایگزیدگی در ترازهای گسسته ی انرژی به ترتیب در یک بعد و دو بعد اتفاق می افتد. 

فعالیت یک لیزر به محیط حاوی اتم های فعال با ترازهای انرژی گسسته نیاز دارد که بین آنها گذارهای گسیل لیزر اتفاق می افتد. در یک لیزر حالت جامد اتم های نئودیوم نقش اتم های فعال را بازی می کنند. اما در لیزر کوانتومی، اتم های فعال نقاط کوانتومی هستند. 

 

ابررسانایی:

ابررساناها خواصی بروز می دهند که مشابه با همان خواص در نقاط، سیم ها و چاه های کوانتومی است. این وضعیت به این دلیل است که مقیاس طول های مشخصه ی آن ها، یعنی طول همدوسی و عمق نفوذ، در محدوده ی نانو می باشد. 

طول همدوسی که فاصله ی جفت های کوپر(جفت الکترون در حالت مقید) در حالت ابررسانایی است در محدوده ی نانو می باشد. بنابراین می توان حامل های اصلی ابرجریان را نانوذره نامید. می توان جریان های گردابی در ابررساناها را نیز مانند سیم کوانتومی در نظر گرفت. زیرا آنها یک واحد کوانتومی شار مغناطیسی را در جهت عرضی محصور کرده اند، اما در جهت طولی هیچ محدودیتی ندارند.