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नैनोमैटेरियल्स में क्वांटम आकार प्रभाव

1980
क्वांटम डॉट्स का प्रयोगशाला विश्लेषण अर्धचालक भौतिकी में क्वांटम आकार प्रभाव को प्रदर्शित करता है।

(यह छवि केवल उदाहरण के लिए बनाई गई है)

क्वांटम आकार प्रभाव उस घटना का वर्णन करता है जहां किसी पदार्थ के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल गुण उसके आकार के नैनोस्केल के करीब पहुंचने पर बदल जाते हैं। जब किसी पदार्थ के आयाम इलेक्ट्रॉन की डी ब्रोगली तरंगदैर्ध्य के तुलनीय हो जाते हैं, तो क्वांटम परिरोधन होता है। यह इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों को परिमाणित करता है, जिससे आकार-निर्भर बैंड गैप उत्पन्न होता है, [latex]E_g(R) approx E_{g,bulk} + frac{hbar^2pi^2}{2R^2}(frac{1}{m_e^*} + frac{1}{m_h^*})[/latex]।

क्वांटम आकार प्रभाव क्वांटम यांत्रिकी का प्रत्यक्ष परिणाम है और नैनोमैटेरियल्स के अद्वितीय व्यवहार प्रदर्शित करने के प्राथमिक कारणों में से एक है। एक बल्क सेमीकंडक्टर में, इलेक्ट्रॉनों और होलों के ऊर्जा स्तर इतने निकट स्थित होते हैं कि वे निरंतर बैंड बनाते हैं: एक वैलेंस बैंड और एक कंडक्शन बैंड, जो एक ऊर्जा बैंड गैप, [latex]E_g[/latex] द्वारा अलग होते हैं। हालाँकि, जब सेमीकंडक्टर को नैनोक्रिस्टल (एक क्वांटम डॉट), इसके आयाम एक्सिटॉन बोहर त्रिज्या (इलेक्ट्रॉन-होल युग्म के बीच प्राकृतिक पृथक्करण दूरी) के तुलनीय हो जाते हैं।

यह स्थानिक परिरोध इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को एक बहुत छोटे आयतन में संकुचित कर देता है, जिससे वे प्रभावी रूप से "एक बॉक्स में कण" की तरह व्यवहार करते हैं। क्वांटम यांत्रिकी के अनुसार, यह परिरोध सतत ऊर्जा बैंडों को असतत, परिमाणित ऊर्जा स्तरों में विभाजित करता है। इन स्तरों के बीच ऊर्जा पृथक्करण नैनोक्रिस्टल के आकार में कमी के साथ बढ़ता है। परिणामस्वरूप, पदार्थ का प्रभावी बैंड गैप चौड़ा हो जाता है। ब्रूस समीकरण त्रिज्या R के एक गोलाकार नैनोक्रिस्टल के नए बैंड गैप, [latex]E_g(R)[/latex], के लिए प्रथम-कोटि सन्निकटन प्रदान करता है, जहाँ [latex]m_e^*[/latex] और [latex]m_h^*[/latex] क्रमशः इलेक्ट्रॉन और छिद्र के प्रभावी द्रव्यमान हैं। यह आकार-समायोज्य बैंड गैप क्वांटम डॉट्स के अद्वितीय प्रकाशीय गुणों की कुंजी है। जब एक इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होता है और फिर अपनी मूल अवस्था में वापस आता है, तो यह बैंड गैप के अनुरूप ऊर्जा वाला एक फोटॉन उत्सर्जित करता है। चूंकि बैंड गैप आकार पर निर्भर करता है, इसलिए छोटे डॉट्स उच्च-ऊर्जा (नीला) प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जबकि बड़े डॉट्स कम-ऊर्जा (लाल) प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जिससे संश्लेषण के दौरान कण के आकार को नियंत्रित करके सटीक रंग समायोजन संभव हो पाता है।

UNESCO Nomenclature: 2211
ठोस अवस्था भौतिकी

Type

भौतिक घटनाएँ

व्यवधान

क्रांतिकारी

उपयोग

व्यापक उपयोग

शगुन

  • द श्रोडिंगर समीकरण और "बॉक्स में कण" मॉडल
  • अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों (एक्सिटॉन) की अवधारणा
  • मोनोडिस्पर्स नैनोक्रिस्टल के उत्पादन के लिए कोलाइडल संश्लेषण विधियों का विकास
  • प्रगति में स्पेक्ट्रोस्कोपी छोटे कणों के प्रकाशीय गुणों के मापन की अनुमति देता है

आवेदन

  • टेलीविजन में क्वांटम डॉट (क्यूडी) डिस्प्ले (क्यूएलईडी)
  • समायोज्य रंगों वाली एलईडी लाइटिंग
  • जैविक इमेजिंग और फ्लोरोसेंट लेबलिंग
  • बेहतर दक्षता वाले सौर सेल
  • ट्यून करने योग्य आवृत्तियों वाले लेजर

पेटेंट:

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

संभावित नवाचार विचार

  • single-photon sources for quantum क्रिप्टोग्राफी
  • multiplexed diagnostic assays using color-coded quantum dots
  • light-fidelity (li-fi) communication systems with high-speed modulation
  • in-vivo biosensors that report on cellular processes through fluorescence changes
  • photocatalysts for hydrogen production tuned to the solar spectrum
  • volumetric displays creating 3d images in space
  • quantum dot-based intermediate band solar cells
  • thermoelectric materials with engineered band structures for waste heat recovery
  • neuromorphic computing elements using quantum dot arrays
  • security inks with unique, size-dependent spectral signatures
संबंधित विषय: क्वांटम परिरोध, क्वांटम डॉट, बैंड गैप, आकार प्रभाव, डी ब्रोगली तरंगदैर्ध्य, एक्सिटॉन बोहर त्रिज्या, ब्रूस समीकरण, अर्धचालक, नैनोक्रिस्टल, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स।

ऐतिहासिक संदर्भ

नैनोमैटेरियल्स में क्वांटम आकार प्रभाव

Testing rare-earth magnets in a solid state physics laboratory.

दुर्लभ-पृथ्वी चुंबक

दुर्लभ-पृथ्वी चुंबक दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों के मिश्र धातुओं से बने मजबूत स्थायी चुंबक होते हैं। 1970 और 1980 के दशक में विकसित, सबसे सामान्य प्रकार नियोडिमियम चुंबक (NdFeB) और समैरियम-कोबाल्ट चुंबक (SmCo) हैं। वे बनाए गए स्थायी चुंबकों में सबसे मजबूत प्रकार के होते हैं, जो फेराइट या अलिनको चुंबकों की तुलना में काफी मजबूत चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं, जिससे कई प्रौद्योगिकियों में लघुकरण और बेहतर प्रदर्शन संभव हो पाता है। नोट: 'दुर्लभ-पृथ्वी तत्व' शब्द एक ऐतिहासिक भ्रामक नाम है। ये तत्व पृथ्वी की पपड़ी में असाधारण रूप से दुर्लभ नहीं हैं। सीरियम, सबसे प्रचुर मात्रा में, 25वां सबसे प्रचुर तत्व है, जो तांबे के समान है। यहाँ तक कि सबसे कम प्रचुर स्थिर दुर्लभ-पृथ्वी, ल्यूटेशियम, सोने की तुलना में लगभग 200 गुना अधिक सामान्य है। 'दुर्लभ' लेबल इसलिए उत्पन्न हुआ क्योंकि उन्हें अलग करना मुश्किल था।

1970
1974-11-15
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(यदि तिथि अज्ञात है या प्रासंगिक नहीं है, उदाहरण के लिए "द्रव यांत्रिकी", तो इसके उल्लेखनीय उद्भव का एक अनुमानित आंकड़ा प्रदान किया गया है)

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