آخرین اخبار
نقاط کوانتومی با کارآیی تقریبا کامل

نقاط کوانتومی با کارآیی تقریبا کامل

محققان کارآیی تقریبا کامل برای نیمه هادی‌های کم‌هزینه، یعنی نقاط کوانتومی را بازتعریف کرده‌اند. آن‌ها روشی را یافته‌اند که طبق آن، نقاط کوانتومی می‌توانند استانداردهای کیفی گران‌ترین جایگزین‌های دیگر را از خود نشان دهند.

نقاط کوانتومی که ذرات کوچکی با قابلیت تولید آسان هستند، ممکن است به زودی جای تک کریستال‌های نیمه ‌هادی گران را درصنایع الکترونیکی پیشرفته مانند صفحات خورشیدی، حسگر دوربین‌ها و ابزارهای تصویربرداری پزشکی بگیرند. اگرچه نقاط کوانتومی با فناوری تلویزیون‌های نقاط کوانتومی وارد بازار شدند، اما به دلیل تردید‌هایی که در مورد کیفیت بلند مدت این ذرات وجود دارد، گسترش آن‌ها با موانعی روبرو شده است. اکنون، یک تکنیک اندازه‌گیری که توسط محققان دانشگاه استنفورد توسعه یافته، می‌تواند این تردید‌ها را برطرف نماید. دیوید حنیفی (David Hanifi)، دانش‌آموخته‌ی شیمی دانشگاه استنفورد و از نویسندگان مقاله‌ای که به شرح تکنیک جدید پرداخت و در مجله‌ی science منتشر شد، می‌گوید:

نیمه ‌هادی ‌های مرسوم، بصورت تک کریستالی هستند که در خلا و تحت شرایط خاصی رشد می‌یابند، اما اینگونه نیمه ‌هادی‌ ها را می‌توان در مقیاس انبوه، در فلاسک، در یک آزمایشگاه ساخت و ما نشان داده‌ایم به لحاظ کیفیت، به خوبی همان مرغوب‌ترین نیمه‌ هادی ‌های تک‌کریستالی هستند.

محققان بر روی بازده بازنشر نور جذب شده توسط نقاط کوانتومی تمرکز کرده‌اند که معیاری برای سنجش کیفیت نیمه ‌هادی می‌باشد. درحالیکه، تلاش‌های قبلی برای درک بازده بازنشر نقاط کوانتومی به عملکرد بالای آن‌ها اشاره داشته‌، اما این اندازه‌گیری، اولین روشی است که با اطمینان نشان می‌دهد نقاط کوانتومی می‌توانند با تک کریستال‌ها رقابت کنند.

این پژوهش، حاصل همکاری دانشمندان دانشگاه استنفورد و برکلی کالیفرنیاست. آنها معتقدند این روش اندازه‌گیری می‌تواند به توسعه‌ی فناوری‌ها و مواد جدیدی که به دانستن بازده نیمه‌هادی با دقت بالا نیازمندند، کمک کند. این مواد به اندازه‌ای بازده بالایی دارند که ابزارهای اندازه‌گیری موجود، توانایی تعیین کیفیت آن‌ها را با عدد نداشتند. محققان می‌گویند:

این یک گام بزرگ و رو جلوست که ممکن است روزی، کارکردهایی را ممکن سازد که اکثر آن‌ها هنوز اختراع نشده‌اند و مواد به کار رفته در آن‌ها، به بازده تابش بیش از 99 درصد نیاز داشته باشند.

بین 99 و 100

این ویژگی که نقاط کوانتومی از نیاز به تجهیزات ساخت گران‌قیمت عبور کرده‌اند، تنها مزیت آن‌ها نیست. حتی قبل از این کار نیز، شواهدی وجود داشت که نقاط کوانتومی می‌توانند به حد عملکرد برخی از بهترین کریستال‌ها برسند و یا حتی از آن‌ها پیشی بگیرند. نقاط کوانتومی، به خوبی نیز قابل تنظیم هستند. تغییر اندازه‌ی آن‌ها، طول موج نور گسیل‌شده از آن‌ها را تغییر می‌دهد که یک ویژگی مفید برای کارکردهای مبتنی بر رنگ، مانند برچسب‌گذاری نمونه‌های زیستی، تلویزیون‌ها و یا نمایشگر‌های کامپیوتر است.

علی‌رغم این مزایا، اندازه‌ی کوچک نقاط کوانتومی باعث می‌شود مجبور شویم برای انجام کار یک کریستال بزرگ، میلیاردها عدد از آن‌ها را ساخته و کنار یکدیگر قرار دهیم. ساخت این تعداد نقطه‌ی کوانتومی، به این معنی است که احتمال بوجود آمدن نقص، بالاتر می‌رود و این امر، مانع عملکرد بهتر این نقاط می‌شود. روش‌هایی که برای اندازه‌گیری سایر نیمه ‌هادی‌ ها به کار می‌روند، قبلا ثابت کرده‌اند نقاط کوانتومی بیشتر از 99 درصد نور جذب شده را نشر می‌کنند، اما این جواب، پاسخ مناسب و کافی برای این سوال که امکان به وجود آمدن نقص در آن‌ها چقدر است، نمی‌باشد. برای یافتن جواب این سوال، محققان به روش اندازه‌گیری مناسب‌تری نیاز داشتند تا این ذرات را دقیق‌تر ارزیابی کنند. آن‌ها می‌گویند:

ما می‌خواهیم بازده نشر را در بازه‌ی 9/99 تا 999/99 درصد اندازه‌گیری کنیم. به این دلیل که اگر نیمه ‌هادی ها بتوانند هر فوتون جذب شده را بصورت نور بازنشر کنند، بسیار جالب است و ما می‌توانیم ادواتی بسازیم که قبلا وجود نداشته‌اند.

محققان، به جای بررسی نشر نور، گرمای تولید شده‌ی اضافی توسط نقاط کوانتومی برانگیخته را بررسی می‌کنند، زیرا گرمای اضافی، نشانه‌ی نشر ناکارآمد است. این روش معمولا برای سایر مواد استفاده می‌شد، اما هرگز به این شیوه، برای اندازه‌گیری بازنشر نقاط کوانتومی استفاده نشده بود. این روش، صد برابر دقیق‌تر از روش‌هایی است که تاکنون استفاده شده است. محققان دریافتند گروه‌هایی از نقاط کوانتومی، 6/99 درصد (همراه با 2/0 درصد خطای بالقوه در هر جهتی) از نور جذب شده را به‌طور قابل اعتمادی نشر می‌کنند که با بهترین کریستال‌های نیمه ‌هادی قابل مقایسه است. آن‌ها می‌گویند:

شگفت‌انگیز است که یک لایه‌ی نازک با تعداد بسیار زیادی نقص بالقوه، به خوبی عالی‌ترین نیمه ‌هادی‌ هایی که می‌توانید بسازید، هستند.

علی‌رغم برخی نگرانی‌ها، نتایج نشان می‌دهند نقاط کوانتومی توانایی تحمل نقص بسیار بالایی دارند. این روش اندازه‌گیری، همچنین اولین روشی است که قاطعانه پاسخ می‌دهد ساختارهای متفاوت نقاط کوانتومی، چقدر با یکدیگر تفاوت دارند. به طور مثال، نقاط کوانتومی با ضخامت دقیق 8 لایه‌ی اتمی از یک ماده‌ی پوششی مخصوص، نور را با بیشترین سرعت نشر می‌کنند که این امر، نشان‌دهنده‌ی کیفیت عالی آنهاست.

فناوری‌های کاملا جدید

گام بعدی این پروژه، توسعه‌ی اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر است. اگر محققان بتوانند تعیین کنند بازنشر این نقاط کوانتومی می‌تواند به بازده بالای 999/99 درصد برسد یا نه، فناوری‌هایی می‌توانند محقق شوند که تاکنون هرگز دیده نشده‌اند؛ مثلا رنگ‌های درخشانی که توانایی ما را برای مشاهدات زیست‌شناسی در مقیاس اتمی بهبود می‌بخشد، خنک‌کردن تابشی (luminescent cooling) یا متمرکز کننده‌های انرژی‌های خورشیدی (luminescent solar concentrators) که باعث می‌شوند انرژی تابش خورشیدی موجود در یک سطح بزرگ، وارد و جذب مجموعه‌ی کوچکی از سلول‌های خورشیدی شود. این روش‌های اندازه‌گیری‌های جدید، نقطه‌ی عطفی برای تمام فناوری‌هایی می‌باشد که ذکر شد. این فناوری‌ها، مشوقی برای حرکت سریع‌تر و بیشتر در زمینه‌ی تحقیقات و کاربردهای نقاط کوانتومی می‌باشد. محققان می‌گویند:

افرادی که در زمینه‌ی نقاط کوانتومی کار کرده و می‌کنند، بیش از یک دهه در این اندیشه بودند که نقاط کوانتومی، می‌توانند مانند مواد تک کریستالی موثر باشند که در نهایت ما این فرضیه را با اندازه‌گیری بازنشر نقاط کوانتومی اثبات کردیم.
 


مشاهده مقاله اصلی در مجله
منبع: sciencedaily
كلمات كليدي :
نقاط کوانتومی
بيشتر