La discussione che segue ricorre a un linguaggio tecnico e utilizza termini comunemente utilizzati nella meccanica quantistica e nella fisica dei semiconduttori.
I punti quantici sono uno degli esempi più evidenti, nel mondo reale, di come funziona la meccanica quantistica. E se fosse possibile regolare il colore di un materiale semplicemente modificandone le dimensioni? È questa l’idea alla base dei punti quantici. I punti quantici sono nanocristalli semiconduttori, solitamente di dimensioni pari a pochi nanometri, le cui proprietà ottiche ed elettroniche sono regolate dal confinamento quantistico.
Il diagramma riportato di seguito illustra il confinamento quantistico nello spazio reale mettendo a confronto il raggio del punto quantico (rQD) con il raggio di Bohr dell’eccitone (rBohr). Quando il raggio del punto quantico è molto più grande del raggio di Bohr, la coppia elettrone-lacuna si comporta come un eccitone di volume, la cui estensione spaziale è determinata principalmente dall’attrazione di Coulomb e influenzata solo debolmente dal confine del punto quantico. Man mano che le dimensioni del punto quantico diminuiscono e diventano paragonabili al raggio di Bohr, l’eccitone viene sempre più distorto dal confinamento fisico del nanocristallo. Nel regime di forte confinamento, in cui il raggio del punto quantico è inferiore al raggio di Bohr, il confine del punto quantico diventa dominante; l’elettrone e la lacuna sono confinati separatamente all’interno del volume del punto quantico, il modello dell’eccitone viene meno e le funzioni d’onda sono delocalizzate all’interno del punto quantico. La progressione da punti più grandi (rossi) a punti più piccoli (blu) rappresenta visivamente l’aumento dell’intensità del confinamento.
Figura 1. Confinamento nello spazio reale.
L'onda oscillatoria illustrata all'interno dei punti quantici sopra riportati rappresenta la funzione d'onda spaziale di un portatore di carica confinato (elettrone o lacuna), non la lunghezza d'onda della luce emessa. Nel regime di forte confinamento, il confine fisico del nanocristallo definisce i modi spaziali ammessi, pertanto sono consentite solo le funzioni d’onda che “rientrano” all’interno del punto. Questa restrizione aumenta l’energia cinetica dei portatori, il che si manifesta in ultima analisi come uno spostamento dell’emissione ottica dipendente dalle dimensioni.
Questo confinamento nello spazio reale si riflette direttamente nello spazio energetico e determina i cambiamenti nella struttura elettronica. Man mano che il movimento spaziale dei portatori di carica viene limitato, i livelli energetici ammessi non sono più continui, ma diventano quantizzati.
Figura 2. Quantizzazione dello spazio energetico.
Il diagramma sopra riportato illustra come i livelli energetici elettronici si evolvano dagli atomi isolati ai materiali massivi e infine ai punti quantici. Un singolo atomo presenta stati elettronici discreti; quando molti atomi formano un cristallo massivo, questi stati si ampliano e si fondono in bande di valenza e di conduzione quasi continue, separate da un gap di banda. Nei punti quantici, il confinamento spaziale suddivide nuovamente queste bande in livelli energetici discreti, dipendenti dalle dimensioni. Man mano che le dimensioni del punto quantico diminuiscono, la distanza tra i livelli quantizzati aumenta, ampliando di fatto il gap di banda. Questa quantizzazione energetica dipendente dalle dimensioni spiega perché i punti quantici più grandi emettono a energie più basse (rosso) e quelli più piccoli a energie più elevate (blu), collegando direttamente il confinamento su scala nanometrica alle proprietà ottiche modulabili.
Controllandone le dimensioni e la struttura, è possibile progettare i punti quantici in modo che emettano colori puri in tutto lo spettro visibile. Questa capacità di regolazione, unita all’elevata luminosità e alle larghezze di linea di emissione ridotte, ha reso i punti quantici indispensabili per le moderne tecnologie di visualizzazione, illuminazione, fotovoltaico e bioimaging.
Questo è un buon momento per fare una pausa dalla “fisica”: se vi sembra che il cervello si sia un po’ riscaldato, è la meccanica quantistica che sta facendo il suo lavoro. Nel prossimo articolo passeremo alla “chimica” dei punti quantici: i precursori, i ligandi e le reazioni che trasformano semplici sali in nanocristalli di dimensioni regolabili. Nei prossimi post parleremo di come i “materiali in entrata” determinino fortemente le “proprietà in uscita” e di come Indium Corporation faccia la differenza nelle vostre proprietà in uscita: non solo grazie ai “materiali in entrata” di alta qualità, ma anche grazie al nostro know-how tecnico in questi settori.
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Quali dei seguenti composti prodotti da Indium Corporation vengono utilizzati per la produzione di punti quantici?
