پیش‌نویس:حصر کوانتومی

تعریف[ویرایش]

اصطلاح «حصر کوانتومی» عمدتاً به انرژی الکترونهای محدود (الکترون‌ها یا الکترون حفره) می‌پردازد. سطوح انرژی الکترون‌ها مانند مواد بالک در مقایسه با نانوبلورها پیوسته باقی نمی‌ماند. علاوه بر این، با به دست آوردن توابع موج الکترونی محدود، آنها به مجموعه ای مجزا از سطوح انرژی تبدیل می‌شوند.

اثرات[ویرایش]

اثرات به عنوان محصور شدن کوانتومی تعریف می‌شوند و در نتیجه، برای نانوبلورها، اغلب نقاط کوانتومی (QDs) نامیده می‌شوند. علاوه بر این، این اثر نقطه کوانتومی بر خواص نانومواد مانند الکتریکی، نوری و همچنین رفتار مکانیکی مواد تأثیر دارد. به دلیل ماهیت عجیب آن است که نانومواد دارای الکترون‌هایی با انرژی بالاتری نسبت به مواد حجیم هستند. بسته به اندازه QD، الکترون‌های محدود انرژی بالاتری نسبت به الکترون‌های موجود در مواد حجیم دارند. نانومواد نیمه هادی زمانی که ابعاد خود را از 2 بعدی به 1 بعدی یا 1 بعدی به 0 بعدی کاهش می‌دهند، خواص شگفت‌انگیزی از خود نشان می‌دهند. اثر محصور شدن کوانتومی زمانی رخ می‌دهد که اندازه و شکل نانومواد کمتر از 100 تا 10 نانومتر یا حتی کمتر کاهش یابد. این تغییرات به دلیل مجموعه گسسته سطوح انرژی الکترون منجر به محدود شدن اندازه می‌شود و شاهد افزایش شکاف انرژی یا بندگپ هستیم.

انواع حصر کوانتومی[ویرایش]

الکترون‌ها در یک جهت محدود می‌شوند، یعنی چاه‌های کوانتومی (لایه‌های نازک): الکترون‌ها می‌توانند به راحتی در دو بعد (2 بعدی) حرکت کنند، بنابراین یک بعد کوانتیزه می‌شود.

الکترون‌ها در دو جهت محدود می‌شوند، یعنی سیم‌های کوانتومی: الکترون‌ها می‌توانند به راحتی در یک بعد (1D) حرکت کنند، بنابراین دو بعد کوانتیزه می‌شود.

الکترون‌ها در سه جهت محدود می‌شوند، یعنی نقاط کوانتومی: الکترون‌ها می‌توانند به راحتی در بعد صفر (0D) حرکت کنند، بنابراین سه بعد کوانتیزه می‌شود.

نوار والانس به جا مانده از الکترون یک "حفره" است که می‌توان آن را ذره ای با بار (+1) و جرم مؤثر خود در نظر گرفت. حالت‌های محدود الکترون و حفره را شبه ذرات می‌دانند که «Exciton» نامیده می‌شوند. تشکیل جفت الکترون-حفره به دلیل جاذبه کولمبی است. اکسایتون را می‌توان به عنوان یک سیستم هیدروژن مانند در نظر گرفت و شعاع اکسایتون به راحتی با تقریب شعاع بور مقایسه می‌شود که برای محاسبه جداسازی فضایی جفت الکترون-حفره استفاده می‌شود.

$r=(\epsilon h^{2})\div (\pi mre^{2})$

$mr=(me*mh)\div (me+mh)$ که r شعاع یک کره سه بعدی حاوی تحریک، mr جرم کاهش یافته تحریک، ε ثابت دی الکتریک ماده داده شده، e بار الکترون، و h ثابت پلانک و me,mh به ترتیب جرمموثر حفره و الکترون هستند. علاوه بر این، شعاع تجربی و محاسبه جرم نشان می‌دهد که جداسازی فضایی جفت الکترون-حفره در حدود 1-10 نانومتر برای اکثر نیمه‌رساناها است.

بسته به اندازه ذره حصر کوانتومی می‌تواند به دسته‌های ضعیف، متوسط و قوی تقسیم‌بندی بشود.

که در دستهٔ ضعیف شعاع ذره کمی بزرگتر از شعاع بور است و در دستهٔ متوسط شعاع بور هم اندازه با شعاع ذره است و در حصر کوانتومی قوی شعاع ذره کوچکتر از شعاع بور است و پدیدهٔ حصر کوانتومی با شدت دو قدرت بیشتری اتفاق می‌افتد و شکاف انرژی بزرگتر می‌شود.