Efecto del tamaño cuántico en nanomateriales
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].
The Quantum Size Effect is a direct consequence of quantum mechanics and is one of the primary reasons nanomaterials exhibit unique behaviors. In a bulk semiconductor, the energy levels for electrons and holes are so closely spaced they form continuous bands: a valence band and a conduction band, separated by an energy band gap, [latex]E_g[/latex]. However, when the semiconductor is shrunk to a nanocrystal (a quantum dot), its dimensions become comparable to the exciton Bohr radius (the natural separation distance between an electron-hole pair).
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
Precursores
- the schrödinger equation and the “particle in a box” model
- El concepto de pares electrón-hueco (excitones) en semiconductores
- Desarrollo de métodos de síntesis coloidal para producir nanocristales monodispersos
- avances en espectroscopia que permiten 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
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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.
