ساخت فراماده با استفاده از نقاط کوانتومی مرتب شده

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، پژوهشگران دانشگاه گرونینگن نشان دادند که با استفاده از نقاط کوانتومی می‌توان فراماده‌ای با خواص جالب توجه ساخت.

نقاط کوانتومی خوشه‌هایی از حدود ۱۰۰۰ اتم هستند که به عنوان یک “ابر اتم” بزرگ عمل می‌کنند. طراحی دقیق خواص الکترونیکی این نقاط تنها با تغییر اندازه آن‌ها امکان‌پذیر است. با این حال، برای ایجاد دستگاه‌های کاربردی، تعداد زیادی از نقاط باید در یک ماده جدید ترکیب شوند. در طی این فرآیند، اغلب ویژگی‌های نقاط از بین می‌رود. اکنون، تیمی به سرپرستی ماریا آنتونیتا لوی، استاد فتوفیزیک و اپتوالکترونیک دانشگاه گرونینگن، موفق به ساخت یک فراماده الکترونیک نوری بسیار رسانا از طریق خود سازمان‌دهی شده است. جزئیات مربوط به فرآیند ساخت این فراماده در مجله Advanced Materials، توضیح داده شده است.

نقاط کوانتومی PbSe (سلنید سرب) یا PbS (سولفید سرب) می‌توانند نور مادون قرمز موج کوتاه را به جریان الکتریکی تبدیل کنند. این یک ویژگی مفید برای ساخت آشکارساز‌ها یا سوئیچ برای مخابرات است. با این حال، یک نقطه نمی‌تواند دستگاهی را بسازد. لوی توضیح می‌دهد که وقتی نقاط با هم ترکیب می‌شوند، این مجموعه اغلب ویژگی‌های نوری منحصربه‌فرد نقاط منفرد را از دست می‌دهد، یا اگر آن‌ها را حفظ کنند، ظرفیت آن‌ها برای انتقال حامل‌های بار بسیار ضعیف می‌شود. این به این دلیل است که ایجاد یک ماده مرتب شده از نقطه‌ها دشوار است.

لوی با همکاری همکارانش از موسسه مواد پیشرفته Zernike در دانشکده علوم و مهندسی دانشگاه گرونینگن، روشی را آزمایش کرد که امکان تولید یک فراماده از محلول کلوئیدی نقاط کوانتومی را فراهم می‌کرد. این نقاط که هر کدام حدود پنج تا شش نانومتر اندازه دارند، هنگام جمع‌آوری در یک آرایه مرتب، رسانایی بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند و در عین حال خواص نوری خود را حفظ می‌کنند.

لوی می‌گوید: «ما از روی مقالات منتشر شده، می‌دانستیم که نقاط کوانتومی می‌توانند به صورت خودسازماندهی شده به لایه‌ای دو بعدی و منظم تبدیل شوند. ما می‌خواستیم این ساختار را به یک ماده سه‌بعدی گسترش دهیم. برای رسیدن به این هدف، ظروف کوچکی را با مایعی پر شده که به عنوان یک بستر برای نقاط کوانتومی کلوئیدی عمل می‌کرد. با تزریق مقدار کمی روی سطح مایع، ماده دو بعدی ایجاد کردیم. سپس، با افزودن حجم بیشتری از نقاط کوانتومی، یک ماده سه‌بعدی سفارشی تولید شد.»

نقاط در مایع غوطه ور نمی‌شوند، بلکه روی سطح جهت‌گیری می‌کنند تا به حالت انرژی کم برسند. نقاط شکل مکعبی بریده‌ای دارند و وقتی در کنار هم قرار می‌گیرند، ساختاری منظم در سه‌بعدی را تشکیل می‌دهند. لوی توضیح می‌دهد که یک ابرشبکه، که در آن نقاط مانند اتم‌های یک بلور عمل می‌کنند. این ابرشبکه که توسط ابر اتم‌های نقطه کوانتومی تشکیل شده است، بالاترین تحرک الکترون گزارش شده برای مجموعه‌های نقطه کوانتومی را نشان می‌دهند.

نیاز به تجهیزات ویژه‌ای بود تا مشخص شود که متامتریال جدید چگونه به نظر می‌رسد. این تیم از یک میکروسکوپ الکترونی با وضوح اتمی برای نشان دادن جزئیات مواد استفاده کردند. آن‌ها همچنین ساختار مقیاس بزرگ این ماده را با استفاده از روشی به نام پراکندگی اشعه ایکس با زاویه کوچک بررسی کردند.

اندازه‌گیری‌های خواص الکترونیکی این ماده نشان می‌دهد که این ماده بسیار شبیه به یک نیمه‌رسانای حجیم است، اما خواص نوری نقاط کوانتومی را دارد. بنابراین، این آزمایش راه را برای ایجاد فرامواد جدید بر اساس نقاط کوانتومی هموار می‌کند.