Kvantpiiratus ja madalamõõtmelised materjalid
Vähenda pooljuhitükki, kuni see on võrreldav ruumiga, mille elektron-auk paar loomulikult hõivab, ja massiivse kristalli pidevad tsoonid lagunevad diskreetseteks nivoodeks, mille vahed kasvavad kristalli kahanedes — nii kiirgab üks ja seesama aine kahe nanomeetri juures sinist ja kuue juures punast, ilma et keemia muutuks. Liikumise piiramine ühes, kahes või kolmes suunas annab kvantkaevud, -juhtmed ja -täpid ning igaüks neist ei muuda mitte ainult saadaolevate olekute arvu, vaid olekutiheduse kuju; just seepärast jõuab kvantkaevlaser läveni tunduvalt väiksema vooluga kui massiivne laser ja just seepärast neid struktuure sihipäraselt projekteeritakse, mitte ei vaadelda kõrvalt.
Practise this conceptKastis oleval osakesel on diskreetsed energianivood ja mida väiksem on kast, seda kaugemal need üksteisest on. Massiivne kristall on hiiglaslik kast, nii et selle nivood on nii tihedalt koos, et sulanduvad pidevateks tsoonideks. Kui aga kristalli kahandada mõne nanomeetrini, muutub kast piisavalt väikeseks, et nivoode vahe hakkaks jälle lugema: tsooniservade lähedased nivood eralduvad, vahe kõrgeima täidetud ja madalaima tühja oleku vahel laieneb ning aine hakkab osaliselt käituma väga suure molekulina. See ongi kvantpiiratus ja mastaap, kus see tekib, on ruum, mille elektron-auk paar selles aines loomulikult hõivab — eksitoni Bohri raadius —, mis tavalistes pooljuhtides on mõni nanomeeter ja mistõttu on tegu just nanomastaabi nähtusega.
Nähtav tagajärg on see, et värvus muutub suuruse küsimuseks. Kahe nanomeetrised kaadmiumseleniidi täpid kiirgavad sinist ja sama ühend kuue nanomeetri juures punast, ilma et viaalide vahel oleks mingit keemilist erinevust. Just see häälestatavus on kvanttäppidega ekraanide ja bioloogias kasutatavate fluorestseeruvate markerite mõte ning ühtlasi kasulik tunnus: kui nanoosakese värvus järgib tema suurust, on mängus piiratus, samal ajal kui kuldnanoosakeste värvus tuleb plasmonresonantsist ja käitub hoopis teisiti.
Liikumise piiramine ainult mõnes suunas annab pere ülejäänud liikmed: kvantkaev piirab üht suunda ja jätab alles kahemõõtmelise vaba liikumise lehe, juhe jätab alles ühe, täpp mitte ühtegi. Igaühe juures ei loe niivõrd olekute arv, kuivõrd nende jaotus energia järgi. Massiivse aine olekutihedus tõuseb tsooniservast sujuvalt; kaevu oma tõuseb astmeliselt, juhtme omal on igal alamtsoonil piik ja täpi oma vajub teravateks joonteks. Olekute koondamine otse tsooniserva juurde, mitte nende laialijaotamine, on täpselt see, mida laser vajab, ja just seepärast on praktiliselt iga tänapäeval valmistatav pooljuhtlaser kvantkaevseade; sama mõttekäik toidab ka huvi kahemõõtmeliste materjalide, näiteks grafeeni ja siirdemetallide dikalkogeniidide vastu.
Key ideas
Requires: Osake kastis, Tahkiste vöö teooria, Pooljuhid ja dopeerimine
Common misconceptions
- Eeldus, et teist värvi kiirgav nanokristall peab olema teine aine või pinnalt keemiliselt muudetud. Koostis on identne: muutunud on ääretingimus. Sama lainefunktsiooni surumine väiksemasse kasti tõstab selle energiat, nii et vahe madalaima tühja ja kõrgeima täidetud oleku vahel kasvab kristalli kahanedes ning kiiratav footon nihkub sinise poole.
- Sõnade "nanoosake" ja "kvantpiiratud" samastamine. Piiratus hakkab lugema alles siis, kui osake on võrreldav pikkusega, mille elektron-auk paar selles aines loomulikult hõivab — paljudes pooljuhtides mõni nanomeeter —, nii et sama aine 50 nm kristall käitub sisuliselt massiivse ainena. Kolloidne kuld on klassikaline lõks: tema värvus tuleneb plasmonresonantsist, vabade elektronide kollektiivsest võnkumisest, mitte piiratusest tingitud nivoode nihkest.
- Madalama mõõtmelisuse mõistmine lihtsalt väiksema olekute arvuna. Asi ei ole arvus, vaid jaotuses. Massiivses aines kasvab olekutihedus tsooniservast sujuvalt, kvantkaevus hüppab see igal alamtsoonil uuele tasemele, juhtmes tekib terav piik ja täpis on tegu teravate joonte kogumiga. Just olekute kuhjumine otse serva juurde, mitte nende laialijaotumine, lubab kvantkaevlaseril jõuda läveni tunduvalt väiksema sisestatud vooluga.
Resources
Kuulub nende TÜ ainete hulka
See mõiste on kaardistatud järgmis(t)e Tartu Ülikooli õppekava aine(te) osaliseks kattmiseks.
- Nanoelektroonilised materjalidLOFY.02.045