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Efecto del tamaño cuántico en nanomateriales

1980
Análisis de laboratorio de puntos cuánticos que demuestra el efecto del tamaño cuántico en la física de semiconductores.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El efecto cuántico del tamaño describe el fenómeno por el cual las propiedades electrónicas y ópticas de un material cambian a medida que su tamaño se aproxima a la nanoescala. Cuando las dimensiones de un material son comparables a la longitud de onda de Broglie del electrón, se produce un confinamiento cuántico. Esto cuantiza los niveles de energía del electrón, dando lugar a una brecha de banda dependiente del tamaño, [latex]E_g(R) \approx E_{g,\b\u\lk} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2R^2}(\frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*})[/latex].

El efecto de tamaño cuántico es una consecuencia directa de la mecánica cuántica y es una de las razones principales por las que los nanomateriales exhiben comportamientos únicos. En un semiconductor masivo, los niveles de energía para electrones y huecos están tan próximos que forman bandas continuas: una banda de valencia y una banda de conducción, separadas por una brecha de banda de energía, [latex]E_g[/latex]. Sin embargo, cuando el semiconductor se reduce a un nanocristal (un ¿Cuánto das?), sus dimensiones se vuelven comparables al radio de Bohr del excitón (la distancia de separación natural entre un par electrón-hueco).

Este confinamiento espacial obliga a los electrones y huecos a ocupar un volumen mucho menor, actuando de hecho como una "partícula en una caja". Según la mecánica cuántica, este confinamiento discretiza las bandas de energía continuas en niveles de energía discretos y cuantizados. La separación energética entre estos niveles aumenta a medida que disminuye el tamaño del nanocristal. En consecuencia, la brecha de banda efectiva del material se amplía. La ecuación de Brus proporciona una aproximación de primer orden para la nueva brecha de banda, [latex]E_g(R)[/latex], de un nanocristal esférico de radio R, donde [latex]m_e^*[/latex] y [latex]m_h^*[/latex] son las masas efectivas del electrón y el hueco, respectivamente. Este intervalo de banda ajustable en tamaño es la clave de las propiedades ópticas únicas de los puntos cuánticos. Cuando un electrón se excita y luego se relaja hasta su estado de reposo, emite un fotón con la energía correspondiente a la brecha de banda. Como la separación de banda depende del tamaño, los puntos más pequeños emiten luz de mayor energía (más azul) y los más grandes, de menor energía (más roja), lo que permite ajustar el color con precisión simplemente controlando el tamaño de las partículas durante la síntesis.

UNESCO Nomenclature: 2211
- Física del estado sólido

Tipo

Fenómeno físico

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • el Schrödinger y el modelo de la "partícula en una caja
  • El concepto de pares electrón-hueco (excitones) en semiconductores
  • Desarrollo de métodos de síntesis coloidal para producir nanocristales monodispersos
  • avances en espectroscopia permitiendo la medición de propiedades ópticas de partículas pequeñas

Aplicaciones

  • Pantallas de puntos cuánticos (qd) en televisores (qled)
  • Iluminación LED con colores modulables
  • Imágenes biológicas y marcaje fluorescente
  • células solares con eficiencia mejorada
  • láseres con frecuencias sintonizables

Patentes:

  • US 5,990,479
  • US 6,207,229
  • US 6,322,901

Ideas para posibles innovaciones

  • single-photon sources for quantum criptografía
  • multiplexed diagnostic assays using color-coded quantum dots
  • Sistemas de comunicación de fidelidad de luz (li-fi) con modulación de alta velocidad
  • Biosensores in vivo que informan sobre los procesos celulares a través de cambios de fluorescencia
  • Fotocatalizadores para la producción de hidrógeno adaptados al espectro solar
  • Pantallas volumétricas que crean imágenes 3D en el espacio
  • células solares de banda intermedia basadas en puntos cuánticos
  • Materiales termoeléctricos con estructuras de bandas diseñadas para la recuperación de calor residual
  • Elementos de computación neuromórfica que utilizan matrices de puntos cuánticos
  • Tintas de seguridad con firmas espectrales únicas que dependen del tamaño
Relacionado con: confinamiento cuántico, punto cuántico, brecha de banda, efecto de tamaño, longitud de onda de de broglie, radio de bohr del excitón, ecuación de brus, semiconductor, nanocristal, optoelectrónica.

Contexto histórico

Efecto del tamaño cuántico en nanomateriales

1970
1974-11-15
1980
1980
1980
1984
1985
1970
1970
1975
1980
1980
1980
1984
1986

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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