ایده های برگزیده نانوشیمی
هشتمین دوره ی پروژه های دانش آموزی تبیان
هشتمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید اما کار ما هنوز تمام نشده است! این دوره نیز هم چون سال های گذشته دوستان بسیاری با ثبت طرح ها و ایده های خلاقانه خود در منوی"پیشنهاد موضوع" ما را در ارتقای تنوع پروژه ها یاری نموده اند.
هم چون گذشته بر آن شدیم تا با گردآوری این ایده های جالب، علاوه بر قدر دانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم. فراموش نکنید که ما همیشه منتظر طرح های جدید شما عزیزان هستیم.
نام ایده : سنتز نقاط کوانتومی و کاربردهای آن
نام ارائه دهنده: پرستوسلطان محمدی- فرنوش رضایی- ملیکاشفیع پور- فاطمه هاتفی
زمینه و نوع پروژه : نانوشیمی - تحقیقاتی
درجه سختی : دشوار
نقاط کوانتومی دسته ای از نانوذرات می باشند. نقطه کوانتومی یک ناحیه از بلور نیمه رسانا است که الکترون ها،حفره ها و یا هردو آن ها را در سه بعد دربرمی گیرد.
هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار دارد و ویژگی اصلی این نقاط انتشار نور است. ابعاد، آن قدر کوچک هستند که خواص ماده باقوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشد و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجیه کند. اهمیت نیمه‌رسانا بودن نقاط کوانتومی در این است که رسانایی الکتریکی این مواد را می‌توان با محرک‌های خارجی مانند میدان الکتریکی یا تابش نور تغییر داد، تا حدی که از نارسانا به رسانا تبدیل شوند و مانند یک کلید عمل کنند.
این خاصیت، نیمه‌رساناها را به یکی از اجزای حیاتی انواع مدارهای الکتریکی و ابزارهای نوری تبدیل کرده است. پهنای نقاط کوانتومی، بین 2 تا 10 نانومتر، یعنی معادل کنار هم قرار گرفتن 10 تا 50 اتم است. در این ابعاد کوچک، مواد رفتار متفاوتی دارند و این رفتار متفاوت قابلیت‌های بی‌سابقه‌ای در کاربردهای علمی و فنی به نقاط کوانتومی می‌بخشد.
خواص نقاط کوانتومی
1- درنقاط کوانتومی الکترون ها درست مثل وضعیت یک اتم، موقعیت های گسسته ای از انرژی را اشغال می کنند و نقاط کوانتومی شباهت زیادی به اتم های واقعی دارند،به همین علت در مکانیک کوانتومی به آن ها لفظ "اتم های مصنوعی" می دهند.
2- نقاط کوانتومی طیف نشری نوری گسسته ای راکه مربوط به ترازهای الکترونی گسسته (مانند اتم های واقعی) می شودرادارا هستند.
3- نقاط کوانتومی نیمه رسانا زمانی که با اتم واقعی مقایسه می شوند، ویژگی مشخصی دارند، تعداد الکترون های آزاد رامی توان به کمک ابزارخارجی تغییرداد. این یک راه آسان تر برای دستیابی به اتم های مصنوعی با3،2،1،یا تعداد بیشتری الکترون می باشد.
بنابراین اضافه و یا کم کردن الکترون ها به ذرات کوانتومی طیف وسیعی از مواد مصنوعی را در اختیار بشر قرار خواهد داد. با این وجود نباید فراموش کرد که مواد مصنوعی تولیدشده توسط این روش، خصوصیات مواد اصلی را به تمامی دارا نخواهند بود.
به نظر می رسد که سرانجام مواد ساخته شده، در واقع متشکل از نانوربات هایی خواهند بود که از لحاظ ظاهری و عملکرد، تحت فرمان انسان قرارخواهند گرفت.
4- یکی از خاصیت های مهم نقاط کوانتومی نیمه رسانا منبع کلومبی می باشد .این بدین معناست که اگر سدهای تونل زنی یک نقطه به اندازه کافی بالا باشد، به انرژی خارجی برای تزریق یک الکترون اضافه به داخل نقاط کوانتومی نیمه رسانا نیاز است.
5- همه نیمه رسانا شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است درواقع بازه ی مشخصی از انرژی را دارا می باشد. وقتی یک الکترون انرژی متفاوتی از الکترون دیگر دارد، گفته می‌شود که در یک تراز انرژی متفاوت قرار دارد. خاصیت ذاتی الکترون‌ها باعث می‌شود که بیش از دو الکترون نتوانند در هر تراز انرژی قرار بگیرند.
در یک توده ی بزرگ از ماده ی نیمه‌رسانا حالت( bulk )، ترازهای انرژی بسیار نزدیک هم هستند؛ آن‌قدر نزدیک که به صورت یک بازه ی پیوسته توصیف می شوند، یعنی تفاوت انرژی دو تراز مجاور در حد صفر است.
بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای (شکاف ،گپ ) وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد و الکترون ها مجاز به داشتن انرژی در این فاصله نیستند، این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم. الکترون‌هایی که ترازهای پایین گپ را اشغال می‌کنند "الکترون‌های ظرفیت در باند ظرفیت" و الکترون‌های ترازهای بالای گپ "الکترون‌های رسانش در باند رسانش" نامیده می‌شوند.
6- رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آن‌ها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آن‌ها ساطع می‌شود. طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازه‌ی نقاط کوانتومی بستگی دارد. هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیش‌تر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است. پس در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ تر، گاف انرژی کوچک تر است.
7- یک نقطه کوانتومی دارای شکل های مکعبی ریز، استوانه ای کوتاه یا کره ای با ابعاد کوچک نانومتری می باشد وقتی ابعاد کوچک می شود، ازجابه جایی الکترون ها جلوگیری می شود و آن ها محدودیت را تجربه خواهند کرد. نقاط کوانتومی محدودیت را در هرسه بعد فضایی اش نشان می دهد و بنابراین در آن هیچ جابه جایی وجود ندارد.
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه و تنظیم: اعظم اژدری
مطالب مرتبط:
ایده برگزیده شیمی هشتمین دوره ی پروژه های دانش آموزی تبیان
