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Efeito de tamanho quântico em nanomateriais

1980
Análise laboratorial de pontos quânticos demonstrando o efeito de confinamento quântico na física de semicondutores.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

O Efeito de Tamanho Quântico descreve o fenômeno em que as propriedades eletrônicas e ópticas de um material mudam à medida que seu tamanho se aproxima da nanoescala. Quando as dimensões de um material se tornam comparáveis ​​ao comprimento de onda de De Broglie do elétron, ocorre o confinamento quântico. Isso quantiza os níveis de energia do elétron, levando a uma lacuna de banda dependente do tamanho, [latex]E_g(R) approx E_{g,bulk} + frac{hbar^2pi^2}{2R^2}(frac{1}{m_e^*} + frac{1}{m_h^*})[/latex].

O Efeito de Tamanho Quântico é uma consequência direta da mecânica quântica e uma das principais razões pelas quais os nanomateriais exibem comportamentos únicos. Em um semicondutor em massa, os níveis de energia para elétrons e lacunas são tão próximos que formam bandas contínuas: uma banda de valência e uma banda de condução, separadas por uma lacuna de energia, [latex]E_g[/latex]. No entanto, quando o semicondutor é reduzido a um nanocristal (um nanocristal), o tamanho dos elétrons e lacunas diminui. ponto quântico), suas dimensões tornam-se comparáveis ​​ao raio de Bohr do excíton (a distância de separação natural entre um par elétron-buraco).

Esse confinamento espacial força os elétrons e buracos a um volume muito menor, agindo efetivamente como uma “partícula em uma caixa”. De acordo com a mecânica quântica, esse confinamento discretiza as bandas de energia contínuas em níveis de energia discretos e quantizados. A separação de energia entre esses níveis aumenta à medida que o tamanho do nanocristal diminui. Consequentemente, a banda proibida efetiva do material se alarga. A equação de Brus fornece uma aproximação de primeira ordem para a nova banda proibida, [latex]E_g(R)[/latex], de um nanocristal esférico de raio R, onde [latex]m_e^*[/latex] e [latex]m_h^*[/latex] são as massas efetivas do elétron e do buraco, respectivamente. Essa banda proibida ajustável pelo tamanho é a chave para as propriedades ópticas únicas dos pontos quânticos. Quando um elétron é excitado e depois retorna ao seu estado fundamental, ele emite um fóton com energia correspondente à banda proibida. Como a largura da banda proibida depende do tamanho, pontos menores emitem luz de maior energia (mais azul), enquanto pontos maiores emitem luz de menor energia (mais vermelha), permitindo um ajuste preciso da cor simplesmente controlando o tamanho da partícula durante a síntese.

UNESCO Nomenclature: 2211
Física do estado sólido

Tipo

Fenômeno físico

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • o Schrödinger equação e o modelo de "partícula em uma caixa"
  • o conceito de pares elétron-buraco (éxcitons) em semicondutores
  • Desenvolvimento de métodos de síntese coloidal para a produção de nanocristais monodispersos.
  • avanços em espectroscopia permitindo a medição das propriedades ópticas de pequenas partículas.

Aplicações

  • telas de pontos quânticos (qd) em televisores (qled)
  • Iluminação LED com cores ajustáveis
  • Imagem biológica e marcação fluorescente
  • células solares com eficiência aprimorada
  • lasers com frequências ajustáveis

Patentes:

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

Ideias de Inovação Potencial

  • single-photon sources for quantum criptografia
  • 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
Relacionado a: confinamento quântico, ponto quântico, gap de banda, efeito de tamanho, comprimento de onda de De Broglie, raio de Bohr do excíton, equação de Brus, semicondutor, nanocristal, optoeletrônica.

Contexto histórico

Efeito de tamanho quântico em nanomateriais

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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