Kropki kwantowe

Czym są kropki kwantowe?

Nanomateriały to układy materiałowe, których przynajmniej jeden z wymiarów przestrzennych ma rozmiar w przedziale 1-100 nm (1 nm = 10-9 m). Nanomateriały, podzielić możemy na organiczne (np. układy polimerowe) oraz nieorganiczne. Nanomateriały nieorganiczne, możemy podzielić z kolei na krystaliczne (o uporządkowanej strukturze atomowej) oraz niekrystaliczne – amorficzne, w których atomy ułożone są w sposób nieuporządkowany. Nieorganiczne nanomateriały krystaliczne nazywamy nanokryształami. Nanokryształy, podzielić możemy na metaliczne, dielektryczne oraz półprzewodnikowe – głównie w zależności od rodzaju atomów z jakich są one zbudowane.

Kolejny podział nanokryształów nieorganicznych dotyczy ich kształtu. Możemy wyróżnić np. nanokryształy o kształcie sferycznym (kropki, układ 0 wymiarowy), nanokryształy o kształcie anizotropowym (kreski oraz druty, układ 1 wymiarowy) oraz nanokryształy w kształcie płaszczyzny (płytki, płatki, układ 2 wymiarowy). Możliwe są również układy, stanowiące kombinacje wymienionych kształtów.

Bardzo ważnym kryterium, decydującym o tym, czy nanokryształ jest kropką kwantową czy jedynie kropką nanokrystaliczną, jest kryterium kwantowego związania. Głównym celem redukcji rozmiaru materiałów do skali nano jest bowiem wykorzystanie nowych właściwości tych materiałów, manifestujących się jedynie w skali, gdzie rozmiar układu porównywalny jest z rozmiarem charakterystycznym dla pożądanego zjawiska fizycznego. Dla przykładu, celem wykorzystania nowych właściwości materiału do aplikacji optycznych, rozmiar układu powinien być porównywalny z charakterystyczną dla tych właściwości wielkością fizyczną, np. długością fali de Broglie’a (lub dokładniej z promieniem ekscytonu formowanego w danym materiale). Dla większości materiałów rozmiar ten jest w przedziale od 0.5 – 20 nm. Dla przykładu, aby zaobserwować efekty kwantowe w materiałach: CuCl, CdS, Si, InP, ich rozmiary (np. średnice kropek) powinny mieć odpowiednio 0.7, 3, 5 oraz 15 nm. Kryterium rozmiarowe jest kryterium koniecznym, lecz niewystarczającym do obserwacji efektów kwantowych, ponieważ inne efekty, obecne w skali nano, mogą zniszczyć otrzymane redukcją rozmiaru efekty kwantowe. W szczególności, w tej skali, bardzo istotna staje się powierzchnia nanomateriałów, której pełna kontrola jest niezbędnym czynnikiem do uzyskania oczekiwanych efektów kwantowych.

Z opisanych powyżej powodów, technologia otrzymywania kropek kwantowych jest znacznie trudniejsza od technologii otrzymywania kropek nanokrystalicznych (nanoproszków). Otrzymywane bowiem kropki kwantowe muszą charakteryzować się precyzyjnie zdefiniowanym rozmiarem oraz precyzyjnie kontrolowaną dystrybucją rozmiarów, w pełni kontrolowanymi właściwościami ich powierzchni, a ponadto wysoką dyspergowalnością zawiesiny kropek w rozpuszczalniku (brak sklejania się kropek).

Jakie cechy powinny mieć dobre kropki kwantowe?

Rozmiar kropki kwantowej powinien być poniżej rozmiaru ekscytonu charakterystycznego dla danego materiału.

Kropki kwantowe powinny mieć możliwie wąską dystrybucję rozmiarów (poniżej 10 %), kształtu oraz fazy krystalicznej.

Kropki kwantowe powinny mieć możliwie wąską linię emisji (FWHM < 100 meV, FWHM < 30 nm).

Kropki kwantowe powinny mieć możliwie wysoką wydajność emisji.

Kropki kwantowe powinny mieć możliwie dobrą stabilność intensywności ich emisji w czasie.

Kropki kwantowe powinny być całkowicie dyspergowalne w rozpuszczalniku (odseparowane od siebie i zawieszone w rozpuszczalniku).

Kropki kwantowe powinny mieć możliwość kontroli właściwości chemicznych ich powierzchni.


Dlaczego kropki kwantowe są lepsze niż inne znane nam emitery/barwniki ?

Wąskie, przestrajalne linie emisyjne w szerokim zakresie spektralnym (350 – 2000 nm)

Szerokie, nieselektywne widmo absorpcji

Wysoka wydajność emisji

Bardzo wysoka stabilność emisji w czasie, nawet podczas długotrwałego (minuty) oraz intensywnego naświetlania 

Możliwość uzyskania emisji w obszarze podczerwieni (800-2000 nm)

Duża powierzchnia aktywna, umożliwiająca dołączanie do kropek innych obiektów