A discussão que se segue recorre a linguagem técnica e utiliza termos comummente utilizados na mecânica quântica e na física dos semicondutores.
Os pontos quânticos são um dos exemplos mais evidentes, no mundo real, da mecânica quântica em ação. E se fosse possível ajustar a cor de um material apenas alterando o seu tamanho? Essa é a ideia central por trás dos pontos quânticos. Os pontos quânticos são nanocristais semicondutores, normalmente com alguns nanómetros de tamanho, cujas propriedades óticas e eletrónicas são regidas pelo confinamento quântico.
O diagrama abaixo ilustra o confinamento quântico no espaço real, comparando o raio do ponto quântico (rQD) com o raio de Bohr do excitão (rBohr). Quando o raio do ponto quântico é muito maior do que o raio de Bohr, o par elétron-lacuna comporta-se como um excitão em volume, com a sua extensão espacial determinada principalmente pela atração de Coulomb e apenas fracamente influenciada pelo limite do ponto. À medida que o tamanho do ponto quântico diminui e se torna comparável ao raio de Bohr, o excitão é cada vez mais distorcido pelo confinamento físico do nanocristal. No regime de forte confinamento, em que o raio do ponto quântico é menor do que o raio de Bohr, o limite do ponto quântico domina; o eletrão e o buraco ficam confinados separadamente dentro do volume do ponto quântico, o modelo do excitão deixa de se aplicar e as funções de onda ficam deslocalizadas dentro do ponto. A progressão de pontos maiores (vermelhos) para pontos menores (azuis) representa visualmente o aumento da intensidade do confinamento.
Figura 1. Confinamento no espaço real.
A onda oscilatória representada no interior dos pontos quânticos acima representa a função de onda espacial de um portador de carga confinado (elétrão ou lacuna), e não o comprimento de onda da luz emitida. No regime de confinamento forte, o limite físico do nanocristal define os modos espaciais permitidos, pelo que apenas são permitidas funções de onda que «cabem» no interior do ponto. Esta restrição aumenta a energia cinética dos portadores, o que, em última análise, se manifesta como um desvio na emissão ótica dependente do tamanho.
Este confinamento no espaço real reflete-se diretamente no espaço energético e determina as alterações na estrutura eletrónica. À medida que o movimento espacial dos portadores de carga fica restringido, os níveis de energia permitidos deixam de ser contínuos, passando a ser quantizados.
Figura 2. Quantização do espaço energético.
O diagrama acima ilustra como os níveis de energia eletrónica evoluem desde átomos isolados, passando por materiais em massa, até aos pontos quânticos. Um único átomo possui estados eletrónicos discretos; quando muitos átomos formam um cristal em massa, esses estados alargam-se e fundem-se em bandas de valência e de condução quase contínuas, separadas por uma lacuna de banda. Nos pontos quânticos, o confinamento espacial volta a dividir estas bandas em níveis de energia discretos, dependentes do tamanho. À medida que o tamanho do ponto diminui, o espaçamento entre os níveis quantizados aumenta, alargando efetivamente a lacuna de banda. Esta quantização de energia dependente do tamanho explica por que razão os pontos quânticos maiores emitem em energias mais baixas (vermelho) e os pontos mais pequenos emitem em energias mais elevadas (azul), ligando diretamente o confinamento à escala nanométrica às propriedades óticas ajustáveis.
Ao controlar o tamanho e a estrutura, os pontos quânticos podem ser concebidos para emitir cores puras em todo o espectro visível. Esta capacidade de ajuste, combinada com um elevado brilho e larguras de linha de emissão estreitas, tornou os pontos quânticos essenciais para as modernas tecnologias de ecrãs, iluminação, energia fotovoltaica e bioimagem.
Este é um bom momento para fazer uma pausa na «física» – se o seu cérebro estiver a sentir-se um pouco aquecido, é a mecânica quântica a fazer o seu trabalho. No próximo artigo, vamos mudar de tema para a «química» dos pontos quânticos: os precursores, os ligantes e as reações que transformam sais simples em nanocristais de tamanho ajustável. Em publicações futuras, iremos discutir como os «materiais de entrada» determinam fortemente as «propriedades de saída» e como a Indium Corporation faz a diferença nas suas propriedades de saída: não só através de «materiais de entrada» de alta qualidade, mas também graças ao nosso know-how técnico nestas áreas.
Índio, o nosso produto, o nosso símbolo, o nosso nome®.
Antes de ires, aqui fica uma pergunta para te deixar curioso:
Quais dos seguintes compostos fabricados pela Indium Corporation são utilizados na produção de pontos quânticos?
