양자점

인기 있는 과학 기사를 읽으면 아마도 "양자점"이라는 용어를 접했을 것입니다. 약물 전달을 위한 "양자점", 다색 디스플레이를 위한 "양자점", "양자점 레이저" 등 모든 곳에서 나타나는데 목록은 끝이 없어 보입니다. 그렇다면 퀀텀닷이란 무엇인가? 대략적으로 말하면 단단한 재료로 만들어진 작은 구조물입니다. 그것은 너무 작기 때문에(일반적으로 1,000~10,000개의 원자로 구성) 내부 전자의 움직임이 심각하게 제한됩니다. 전자의 운동이 너무 심하게 제한되면 운동 에너지는 점의 크기와 모양은 물론 점을 구성하는 물질에 의해 결정되는 특정 허용 값만 가정할 수 있습니다.

갈륨비소(GaAs)는 양자점을 만드는 데 널리 사용되는 재료입니다. 이 재료의 전자 거동이 실온에서 유용한 재료 특성을 생성하기 때문입니다. 1나노미터 = 10이라는 점에 유의하세요.^-9 미터(m)는 사람 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 정도이다. GaAs의 원자는 약 0.5nm 간격으로 떨어져 있기 때문에 양자점에는 약 25,000개의 원자가 포함됩니다.

양자점의 중요한 특성 중 하나는 표면적 대 부피 비율이 매우 크다는 것입니다. 모서리가 W인 입방체의 경우 이 비율은 6/W입니다. 직경이 D인 구의 경우 비율은 6/D입니다. 도트의 크기(W 또는 D)가 작아질수록 비율이 증가합니다. 직경 0.1m의 농구공의 경우 비율은 60m입니다.^-1, 그러나 직경이 10나노미터(10^-8 m), 비율은 6×10⁸ 중^-1, 이는 천만 배 더 큽니다. 양자점의 큰 표면적 대 부피 비율은 화학 및 생물학적 센서에 사용됩니다. 감지 활동은 일반적으로 내부가 아닌 표면에서만 발생합니다. 따라서 표면적 대 부피 비율이 큰 것이 좋습니다. 큰 감지 입자를 여러 개의 작은 입자 또는 양자점으로 대체하는 것이 유리할 수 있습니다.

이 아이디어를 더 자세히 설명하기 위해 농구공의 부피는 10입니다.²¹ 방금 설명한 양자점보다 몇 배 더 큽니다. 농구공은 10개로 나눌 수 있습니다.²¹양자점. 이 점들을 모두 합친 표면적은 10입니다.⁷ 농구공보다 몇 배 더 크다. 따라서 농구공을 양자점으로 분해하면 다음과 같은 센서가 생성됩니다. 천만배 더 효과적인. 그렇기 때문에 퀀텀닷은 감지, 표적 약물 전달, 촉매 작용과 같은 응용 분야에서 매우 중요합니다. 이 응용 분야에서는 모두 큰 표면적 대 부피 비율이 필요합니다.

양자점은 다색 디스플레이에도 유용합니다. 도트 내부의 전자가 더 높은 에너지(여기) 상태에서 더 낮은 에너지(바닥) 상태로 전환될 때 빛을 방출합니다. 방출된 빛의 색상은 점의 크기와 관련될 수 있는 최종 상태와 초기 상태의 에너지 차이에 따라 달라집니다. 따라서 서로 다른 크기의 양자점은 서로 다른 색상의 빛을 방출합니다. 이것이 다색 디스플레이의 기본입니다.

크기, 재료 순도 및 주어진 표면의 배치를 효과적으로 제어하여 퀀텀닷을 제작하는 것은 쉬운 작업이 아닙니다. 두 가지 접근 방식이 일반적입니다. 즉, 리소그래피 및 에칭 프로세스를 사용하여 큰 재료 조각을 작은 양자점으로 깎아내는 "하향식 접근 방식"입니다. 이 접근법의 약간의 변형은 다음과 같습니다. 양자점의 정전기적 묘사 금속 패드가 얇은 재료 층 위에 놓이는 곳입니다. 아래쪽에서 전자를 몰아내는 패드에 음전위가 적용되어 중앙에 작은 전자 웅덩이가 남습니다. 이것들은 양자점을 형성합니다.

두 번째 접근 방식은 "상향식"이며 다음과 같이 알려져 있습니다. 자기 조립. 여기에서 화학은 원자를 잘 정의된 크기(수 나노미터)의 구조로 응집시키고 양자점을 형성합니다.

직접 조립 양자점의 핵형성에 선호되는 위치를 제공하는 패턴화된 기판에서 자발적인 구조 형성이 발생하는 공정을 개선한 것입니다. 이것은 또한 템플릿 기반 자체 조립 패턴화된 기판은 양자점을 공간적으로 정렬하기 위한 템플릿 역할을 하기 때문입니다.

퀀텀닷은 점점 더 다양한 상업 및 국방 관련 제품에 진출하고 있는 매력적인 존재입니다. 합성 방법의 완성에 있어 급속한 발전이 이루어지고 있으며 향후 10년 이내에 사용하는 많은 제품에서 퀀텀닷을 볼 수 있을 것으로 예상할 수 있습니다.