Τι είναι οι κβαντικές κουκίδες;

Συχνές ερωτήσεις, Ιανουάριος 2005

Οι κβαντικές κουκίδες είναι φθορίζοντα νανοσωμάτια σε διάφορα χρώματα που αποτελούνται από ένα ημιαγώγιμο υλικό, ονομάζονται δε και  ημιαγωγοί νανοκρύσταλλοι. Το μέγεθος αυτού του νανοκρύσταλλου είναι της τάξης μερικών έως εκατοντάδων νανόμετρων. Οι κβαντικές κουκίδες περιορίζουν τα ηλεκτρόνια, τις οπές, ή τα ζεύγη των ηλεκτρονίων-οπών (που λέγονται και εξιτόνια) σε μηδενικές διαστάσεις, σε μια περιοχή της τάξης του μήκους κύματος de Broglie των ηλεκτρονίων. Αυτός ο περιορισμός οδηγεί σε ιδιαίτερα κβαντοποιημένα ενεργειακά επίπεδα καθώς και στην κβαντοποίηση του φορτίου σε μονάδες του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου.

Κβαντικές κουκίδες από σεληνιούχο κάδμιο φωσφορίζουν σε διαφορετικό χρώμα ανάλογα με το μέγεθος τους

Οι κβαντικές κουκίδες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τις οπτικές εφαρμογές λόγω της θεωρητικά υψηλής κβαντικής απόδοσης τους. Οι κβαντικές κουκίδες έχουν προταθεί επίσης ως εφαρμογές ενός qubit για την κβαντική επεξεργασία των πληροφοριών.

Επειδή, οι κβαντικές κουκίδες έχουν ιδιαίτερα ενεργειακά επίπεδα, σαν ένα άτομο, καλούνται μερικές φορές "τεχνητά άτομα". Τα ενεργειακά επίπεδα μπορούν να ελεγχθούν αλλάζοντας το μέγεθος και τη μορφή της κβαντικής κουκίδας, καθώς και το βάθος του δυναμικού. Όπως στα άτομα, τα ενεργειακά επίπεδα μικρών κβαντικών κουκίδων μπορούν να εξεταστούν με τεχνικές οπτικής φασματοσκοπίας. Σε αντίθεση με τα άτομα είναι σχετικά εύκολο να συνδεθούν.

Ένα από τα κυριότερα οπτικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα των μικρών κβαντικών κουκίδων είναι ο χρωματισμός. Ενώ το υλικό από το οποίο φτιάχνεται μια κβαντική κουκίδα είναι σημαντικό, σημαντικότερο από την άποψη του χρωματισμού είναι το μέγεθος της. Όσο μεγαλύτερη είναι η κουκίδα, τόσο περισσότερο προς το ερυθρό άκρο του φάσματος φθορίζει. Όσο μικρότερη είναι η κουκίδα, τόσο περισσότερο φως προς το μπλε άκρο του φάσματος εκπέμπει.

Ο χρωματισμός συσχετίζεται άμεσα με τα ενεργειακά επίπεδα της κβαντικής κουκίδας. Οι μεγαλύτερες κβαντικές κουκίδες έχουν περισσότερα ενεργειακά επίπεδα που διαχωρίζονται από μικρότερα ενεργειακά διαστήματα. Αυτό επιτρέπει στις κβαντικές κουκίδες να απορροφήσει φωτόνια που περιέχουν λιγότερη ενέργεια, δηλ. εκείνα προς το ερυθρό άκρο του φάσματος.

Πρόσφατα άρθρα έχουν αρχίσει να προτείνουν ότι η μορφή της κβαντικής κουκίδας μπορεί επίσης να είναι ένας παράγοντας που δίνει το ιδιαίτερο χρώμα,  αλλά μέχρι τώρα δεν υπάρχουν αρκετές πληροφορίες.

Η δυνατότητα να συντονιστεί το μέγεθος των κβαντικών κουκίδων είναι συμφέρουσα, καθώς όσο μεγαλύτερες είναι και όσο προς το κόκκινο μετατοπισμένο είναι το χρώμα των  κβαντικών κουκίδων, τόσο λιγότερες είναι οι κβαντικές ιδιότητες. Το μικρό μέγεθος της κβαντικής κουκίδας μας επιτρέπει να εκμεταλλευθούμε αυτές τις κβαντικές ιδιότητες, στα λέιζερ, στις έγχρωμες οθόνες, τα φωτοβολταϊκά συστήματα και τη βιοαπεικόνιση.

Εκτός από τη χρησιμοποίηση τους για εξαιρετικά λεπτές, επίπεδες, φωτεινές οθόνες, το QD-OLED μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες άλλες εφαρμογές για τη μέτρηση μηκών κύματος για επιστημονικούς σκοπούς, να παράγει μήκη κύματος ορατά μόνο για ρομποτικά μάτια ή για μικροσκοπικούς επιστημονικούς εξοπλισμούς.

Το μόνο μειονέκτημα τους είναι ότι η παραγωγή τους στοιχίζει πάρα πολύ, τουλάχιστον 2.000 δολάρια το γραμμάριο, εξ αιτίας ενός ακριβού διαλύτη (δεκαοκτάνιο) που χρησιμοποιείται για την παρασκευή τους. Τελευταία όμως στο Πανεπιστήμιο Rice επιστήμονες κατάφεραν να αντικαταστήσουν το πανάκριβο διαλυτικό με ένα άλλο φθηνότερο κατά 80%.

Πηγή: Wikipedia