SlideShare ist ein Scribd-Unternehmen logo
1 von 44
Presenter:
Ali Bakhshi
Title:
Quantum dots & Thin Films
1
Day 1
B.Sc Physics Eng. Tabriz Uni.
M.Sc Nano Tech. IUST
Researcher IPM
‫تعریف‬
2
https://doi.org/10.1038/lsa.2015.53
‫فوتونیک‬ ‫نانو‬ ‫مواد‬
‫مواد‬ ‫مهندسی‬
‫جامد‬ ‫حالت‬ ‫یزیک‬
‫مطالعه‬
:
(1
‫رفتار‬
‫نور‬
‫در‬
‫مقیاس‬
‫نانومتر‬
(2
‫اندرکنش‬
‫نانومواد‬
‫با‬
‫نور‬
Ultrafast photonic PCR (Au-10-120nm)
https://doi.org/10.1038/nature10067
A graphene-based broadband optical modulator
‫نانو‬ ‫تاریخچه‬
3
‫نانومواد‬ ‫انواع‬
4
‫اندازه‬ ‫براساس‬
:
1
)
‫بعدی‬ ‫صفر‬
!
2
)
‫بعدی‬ ‫یک‬
3
)
‫بعدی‬ ‫دو‬
4
)
‫بعدی‬ ‫سه‬
1
-
‫نانومواد‬
‫صفر‬
‫بعدی‬
‫در‬
‫صورتی‬
‫که‬
‫ابعاد‬
‫جسم‬
‫در‬
‫هر‬
‫سه‬
،‫بعد‬
‫در‬
‫محدوده‬
‫نانومتری‬
،‫باشد‬
‫معموال‬
‫از‬
‫لفظ‬
‫نانوذره‬
‫استفاده‬
‫شود‬‫می‬
.
‫به‬
‫این‬
‫دسته‬
‫از‬
،‫نانومواد‬
‫نانومواد‬
‫صفر‬
‫بعدی‬
‫نیز‬
‫گفته‬
‫شود‬‫می‬
.
‫به‬
‫نانوذرات‬
(
‫نانومواد‬
‫صفر‬
‫بعدی‬
)
‫نیمه‬
‫هادی‬
‫که‬
‫از‬
‫خود‬
‫خواص‬
‫کوانتومی‬
‫نشان‬
،‫دهند‬
‫نقطه‬
‫کوانتومی‬
‫گفته‬
‫شود‬‫می‬
.
‫انواع‬
‫و‬
‫اشکال‬
‫مختلفی‬
‫از‬
‫نانومواد‬
‫صفر‬
‫بعدی‬
‫شامل‬
‫نقاط‬
،‫کوانتومی‬
‫نانومواد‬
‫هسته‬
-
،‫پوسته‬
‫ها‬‫نانوقفس‬
(
nanocage
)
،
‫نانو‬
‫ستاره‬
‫و‬
...
،
‫با‬
‫توجه‬
‫به‬
‫نیاز‬
،‫کاربردی‬
‫سنتز‬
‫اند‬‫شده‬
.
‫در‬
‫شکل‬
‫زیر‬
‫به‬
‫طور‬
‫شماتیک‬
‫و‬
‫واقعی‬
‫برخی‬
‫از‬
‫این‬
‫انواع‬
‫نشان‬
‫داده‬
‫اند‬‫شده‬
.
‫نانومواد‬ ‫انواع‬
5
1
-
‫نانومواد‬
‫یک‬
‫بعدی‬
‫ها‬‫نانولوله‬
،
‫ها‬‫نانومیله‬
‫و‬
‫ها‬‫نانوسیم‬
‫و‬
‫نیز‬
‫های‬‫سیم‬
‫کوانتومی‬
‫مواد‬
‫جامدی‬
‫هستند‬
‫که‬
‫در‬
‫دو‬
‫بعد‬
‫در‬
‫مقیاس‬
‫نانو‬
‫باشند‬‫می‬
.
‫این‬
‫مواد‬
‫در‬
‫مقایسه‬
‫با‬
‫های‬‫لوله‬
‫با‬
‫قطر‬
،‫میکرومتری‬
‫خواص‬
‫مکانیکی‬
‫و‬
‫فیزیکی‬
‫بهتری‬
‫را‬
‫از‬
‫خود‬
‫نشان‬
‫دهند‬‫می‬
.
‫نانوکمربندها‬
(nanobelts)
‫و‬
‫همچنین‬
‫برخی‬
‫از‬
‫انواع‬
‫نانوساختارهای‬
‫هسته‬
-
،‫پوسته‬
‫در‬
‫این‬
‫بندی‬‫تقسیم‬
‫قرار‬
‫گیرند‬‫می‬
.
‫نانومواد‬ ‫انواع‬
6
1
-
‫نانومواد‬
‫دو‬
‫بعدی‬
‫این‬
‫دسته‬
‫از‬
،‫نانوساختارها‬
‫دارای‬
‫یک‬
‫بعد‬
‫با‬
‫مقیاس‬
‫نانومتری‬
‫هستند‬
.
‫انواع‬
‫ها‬‫پوشش‬
‫و‬
‫های‬‫الیه‬
‫نازک‬
‫در‬
‫این‬
‫بندی‬‫تقسیم‬
‫قرار‬
‫گیرند‬‫می‬
.
‫این‬
‫دسته‬
‫از‬
‫نانوساختارها‬
‫در‬
،‫سنسورها‬
‫ها‬‫فوتوکاتالیست‬
،
‫های‬‫محفظه‬
‫نانو‬
(
nanocontainer
)
‫و‬
‫نانوراکتورها‬
‫و‬
...
،
‫کاربرد‬
‫دارند‬
.
J.N. Tiwari Progress in Materials Science 57 (2012) 724–803.
‫نانومواد‬ ‫انواع‬
7
1
-
‫نانومواد‬
‫سه‬
‫بعدی‬
‫این‬
‫دسته‬
‫از‬
،‫نانوساختارها‬
‫در‬
‫سه‬
‫بعد‬
‫دارای‬
‫ابعاد‬
‫بیش‬
‫از‬
‫مقیاس‬
‫نانومتری‬
‫باشند‬‫می‬
.
‫باید‬
‫دقت‬
‫شود‬
‫که‬
‫منظور‬
‫از‬
‫بعدی‬‫سه‬
‫بودن‬
‫لزوما‬
‫به‬
،‫معنی‬
‫ساختار‬
‫حجیم‬
‫و‬
‫ریزدانه‬
(
‫دارای‬
‫هایی‬‫دانه‬
‫در‬
‫محدوده‬
1
-
100
‫نانومتر‬
)
‫نیست‬
.
‫این‬
‫دسته‬
‫از‬
،‫نانوساختارها‬
‫تجمعی‬
‫از‬
‫نانوساختارهای‬
‫دیگر‬
(
‫مانند‬
‫بعدی‬‫یک‬
)
‫باشند‬‫می‬
.
‫در‬
‫صورتی‬
‫که‬
‫ابعاد‬
‫های‬‫دانه‬
،‫کریستال‬
‫کمتر‬
‫از‬
100
‫نانومتر‬
،‫باشد‬
‫به‬
‫ها‬‫آن‬
"
‫نانوکریستال‬
(NC)
"
‫گویند‬‫می‬
.
‫داستان‬ ‫شروع‬
!
•
‫میدان‬ ‫ایجاد‬
E/B
‫متحرک‬ ‫باردار‬ ‫ذره‬ ‫توسط‬
‫نور‬ ‫ایجاد‬
!
•
‫میدان‬ ‫در‬ ‫باردار‬ ‫ذره‬ ‫مسیر‬ ‫تغییر‬ ‫و‬ ‫حرکت‬
E/B
‫نور‬ ‫شناسایی‬
!
8
“There’s Plenty of Room at the Bottom”
(Feynman, 1961)
‫ی‬‫پدیده‬
‫جام‬ ‫در‬ ‫دورنگی‬
‫لیکرگوس‬
‫قرن‬
۴
‫میالدی‬
‫فوتون‬ ‫و‬ ‫الکترون‬ ‫شباهت‬
!
9
•
‫تشابه‬
‫معادالت‬
‫در‬ ‫فوتون‬ ‫انتشار‬
‫ها‬‫الکتریک‬‫دی‬
‫در‬ ‫الکترون‬ ‫انتشار‬ ‫با‬
‫ها‬‫کریستال‬
•
‫نور‬ ‫موج‬ ‫طول‬
:
𝜆 =
ℎ
𝑝
=
𝑐
𝑣
•
‫الکترون‬ ‫موج‬ ‫طول‬
:
𝜆 =
ℎ
𝑝
=
ℎ
𝑚𝑣
•
‫معادالت‬
‫نور‬
(
‫مجاز‬ ‫های‬‫فرکانس‬ ‫کننده‬ ‫مشخص‬
)
•
‫معادله‬
‫شرودینگر‬
‫الکترون‬
(
‫کننده‬ ‫مشخص‬
‫مجاز‬ ‫های‬‫انرژی‬
)
𝛻 × 𝐻 =
1
𝑐
𝜕𝐷
𝜕𝑡
𝛻 × 𝐸 =
−1
𝑐
𝜕𝐵
𝜕𝑡
𝛻 × 𝜇−1𝛻 × 𝐸 𝑟 = 𝜔2𝜀𝐸 𝑟
𝛻 × 𝜀−1𝛻 × 𝐻 𝑟 = 𝜔2𝜇𝐻 𝑟
𝛻. 𝛻𝐸 𝑟 = 𝑘0
2
𝜀𝐸 𝑟 ‫تخت‬ ‫موج‬
−
ℎ2
4𝜋2
2𝑚
𝛻. 𝛻 + 𝑉 𝑟 Ψ 𝑟 = 𝐸Ψ 𝑟
‫فوتون‬ ‫زنی‬‫تونل‬
!
•
‫میرا‬ ‫های‬‫میدان‬ ‫تشکیل‬
/
‫از‬ ‫فوتون‬ ‫زنی‬‫تونل‬
‫کالسیکی‬ ‫ممنوع‬ ‫مناطق‬
!
•
‫یعنی‬
k
-
‫است‬ ‫موهومی‬ ‫موج‬ ‫بردار‬
!
•
‫ممنوع‬ ‫مناطق‬ ‫در‬ ‫الکترون‬ ‫زنی‬‫تونل‬
/
‫میرایی‬
‫پتانسیل‬ ‫چاه‬ ‫در‬ ‫الکترون‬ ‫موج‬ ‫تابع‬
10
Steinberg, Paul Kwiat and Raymond Chiao, University of California, 1993
https://doi.org/10.1016/S0079-6638(07)50006-5
https://doi.org/10.1126/science.1221416
‫منشاء‬
‫خواص‬
‫اندازه‬
‫ذرات‬
‫کمتر‬
‫از‬
100
‫نانومتر‬
1
-
‫خواص‬
‫متفاوت‬
‫از‬
‫حالت‬
‫حجیم‬
2
-
‫مکانیزم‬
‫تغییرات‬
‫متفاوت‬
‫با‬
‫حالت‬
‫ذرات‬
‫بزرگ‬
11
‫اندازه‬
‫ذرات‬
‫بیش‬
‫از‬
100
‫نانومتر‬
1
-
‫خواص‬
‫مشابه‬
(
‫تغییرات‬
‫جزیی‬
)
2
-
‫مکانیزم‬
‫تغییرات‬
‫یکسان‬
‫منشاء‬
:
‫نسبت‬
‫حجم‬ ‫به‬ ‫سطح‬
(
‫سطحی‬ ‫انرژی‬
)
‫کوانتوم‬ ‫مکانیک‬ ‫و‬
‫مثال‬
:
‫تغییر‬
‫همچنین‬ ‫و‬ ‫استحاله‬ ‫دمای‬
‫ذرات‬ ‫اندازه‬ ‫با‬ ‫کریستالی‬ ‫ساختار‬
‫طال‬ ‫ذوب‬ ‫دمای‬ ‫تغییر‬
‫ساختار‬ ‫تغییر‬
‫اندازه‬ ‫با‬ ‫کریستالی‬
‫کوانتومی‬ ‫محدودیت‬
•
‫مواد‬
‫شده‬ ‫محدود‬
‫کوانتومی‬
:
‫ساختارهایی‬
‫دارای‬
‫در‬ ‫نانومقیاس‬ ‫طول‬
،‫یک‬
‫یا‬ ‫دو‬
‫سه‬ ‫هر‬
‫مرتبه‬ ‫هم‬ ‫ها‬‫آن‬ ‫بعد‬ ‫یک‬ ‫که‬ ‫موادی‬ ‫یا‬ ‫بعد‬
‫از‬ ‫کوچکتر‬ ‫یا‬
‫طول‬
‫برای‬ ‫الکترون‬ ‫دوبروی‬ ‫موج‬
‫در‬ ‫حرارتی‬ ‫انرژی‬
‫باشد‬ ‫ماده‬
.
m
:
‫موثر‬ ‫جرم‬
‫ماده‬ ‫در‬ ‫حامل‬
12
Quantum-confined materials
𝐸 =
𝑚𝑣2
2
= 𝑘𝑇 𝜆 =
ℎ
𝑚𝑣
=
ℎ
2𝑚𝑘𝑇
‫در‬
T = 10 K
،
‫طول‬
‫موج‬
‫دوبروی‬
‫در‬
GaAs
‫برای‬
‫ها‬‫الکترون‬
162
‫نانومتر‬
‫و‬
‫برای‬
‫ها‬‫حفره‬
62
‫نانومتر‬
‫است‬
!
‫برای‬
‫حبس‬
‫کوانتومی‬
،‫موثر‬
‫یک‬
‫یا‬
‫چند‬
‫بعد‬
‫باید‬
‫کمتر‬
‫از‬
10
‫نانومتر‬
‫باشد‬
‫زیرا‬
‫محدودیت‬
‫کوانتومی‬
‫بر‬
‫های‬‫ویژگی‬
‫نوری‬
‫ها‬‫آن‬
‫تأثیر‬
‫زیادی‬
‫گذارد‬‫می‬
.
‫ساختارهای‬
‫مصنوعی‬
‫ایجاد‬
‫شده‬
‫با‬
‫محدودیت‬
‫کوانتومی‬
‫در‬
،‫یک‬
‫دو‬
‫یا‬
‫سه‬
،‫بعد‬
‫ترتیب‬‫به‬
‫های‬‫چاه‬
،‫کوانتومی‬
‫های‬‫سیم‬
‫کوانتومی‬
‫و‬
‫کوانتومی‬ ‫محدودیت‬
‫مقدار‬
‫انرژی‬
‫در‬
‫سطوح‬
،‫گسسته‬
‫کاربردهایی‬
‫در‬
‫ساخت‬
‫لیزرهای‬
‫حالت‬
‫جامد‬
‫جدید‬
‫دارد‬
.
‫دو‬
‫یا‬
‫چند‬
‫چاه‬
‫کوانتومی‬
‫در‬
‫کنار‬
‫هم‬
‫باعث‬
‫ایجاد‬
‫ساختار‬
("
MQM
)
Multiple Quantum Wells
"
‫شوند‬‫می‬
.
13
‫حرکت‬
‫فقط‬
‫در‬
‫جهت‬
Z
‫محدود‬
‫شود‬‫می‬
.
‫برای‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫و‬
‫هایی‬‫حفره‬
‫که‬
‫در‬
‫جهت‬
Z
‫در‬
‫مواد‬
‫با‬
‫گاف‬
‫کم‬
‫حرکت‬
،‫کنند‬‫می‬
‫حرکت‬
‫ها‬‫آن‬
‫را‬
‫توان‬‫می‬
‫با‬
‫ذره‬
‫در‬
‫جعبه‬
‫توصیف‬
‫کرد‬
.
‫اگر‬
‫عمق‬
‫چاه‬
‫پتانسیل‬
V
،‫باشد‬
‫برای‬
‫انرژی‬
E <V
‫داریم‬
:
𝐸𝑛,𝑘𝑥,𝑘𝑦
= 𝐸𝑐 +
𝑛2ℎ2
8𝑚𝑒
∗
𝐿2 +
ℎ2
𝑘𝑥
2
+ 𝑘𝑦
2
8𝜋2𝑚𝑒
∗
‫در‬
K
300
،
‫گاف‬
GaAs
1.43 eV
‫است‬
‫در‬
‫حالی‬
‫که‬
‫برای‬
AlxGa1-xAs
1.79 eV (x =
0.3)
‫است‬
.
‫بنابراین‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫و‬
‫های‬‫حفره‬
GaAs
‫در‬
‫یک‬
‫چاه‬
‫پتانسیل‬
1
‫بعدی‬
‫با‬
‫طول‬
L
‫در‬
‫جهت‬
Z
‫محدود‬
‫اند‬‫شده‬
.
‫اندازه‬ ‫اثر‬
14
‫ساختار‬
‫ای‬‫الیه‬
‫و‬
‫باندی‬
‫مواد‬
‫در‬
‫حالت‬
‫اتمی‬
‫و‬
‫حجیم‬
(
‫نحوه‬
‫قرارگیری‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫در‬
‫سطوح‬
‫مختلف‬
‫انرژی‬
)
‫در‬
‫های‬‫فاصله‬
‫دور‬
‫از‬
،‫هم‬
‫هنوز‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫بر‬
‫همکنشی‬
‫بر‬
‫هم‬
‫ندارند‬
‫و‬
‫لذا‬
‫ساختار‬
‫ای‬‫الیه‬
‫است‬
.
‫با‬
‫نزدیک‬
‫شدن‬
‫زیاد‬
‫ها‬‫اتم‬
‫به‬
‫هم‬
‫و‬
‫در‬
‫واقع‬
‫زمانی‬
‫که‬
‫های‬‫اوربیتال‬
‫ها‬‫آن‬
‫پوشانی‬‫هم‬
،‫دارند‬
‫بر‬
‫همکنش‬
‫رخ‬
‫داده‬
‫و‬
‫ها‬‫الیه‬
‫شروع‬
‫به‬
‫تقسیم‬
‫شدن‬
‫کنند‬‫می‬
.
‫باندی‬ ‫ساختار‬
‫در‬
‫طیف‬
‫جذبی‬
،‫سیلیسیم‬
‫سه‬
‫پیک‬
‫به‬
‫ترتیب‬
‫در‬
‫های‬‫انرژی‬
3.4
،
4.2
‫و‬
5.6
‫مشاهده‬
‫شود‬‫می‬
.
‫تابش‬
‫اشعه‬
‫با‬
‫انرژی‬
‫حدود‬
1.1
،
‫که‬
‫برابر‬
‫با‬
‫انرژی‬
‫گاف‬
‫انرژی‬
‫سیلیسیم‬
،‫است‬
‫نتوانسته‬
‫است‬
‫سبب‬
‫تحریک‬
‫الکترون‬
‫از‬
‫باند‬
‫ظرفیت‬
‫به‬
‫باند‬
‫هدایت‬
‫شود‬
.
‫چنین‬
،‫باندی‬
‫غیر‬
‫مستقیم‬
‫نامیده‬
‫شده‬
‫است‬
.
‫تغییر‬
‫اندازه‬
‫حرکت‬
‫در‬
‫اشعه‬
‫تابانده‬
‫شده‬
(
‫فوتون‬
)
‫بسیار‬
‫ناچیز‬
‫است‬
‫و‬
‫لذا‬
‫تنها‬
‫در‬
‫صورتی‬
‫انتقال‬
‫غیر‬
‫مستقیم‬
‫الکترون‬
‫انجام‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫مقداری‬
‫از‬
‫اندازه‬
،‫حرکت‬
‫توسط‬
‫ارتعاشات‬
‫شبکه‬
‫فراهم‬
‫شود‬
.
15
??
‫باندی‬ ‫ساختار‬
‫با‬
‫اندازه‬
‫انرژی‬
‫های‬‫پیک‬
،‫جذبی‬
‫مشاهده‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫بیشتر‬
‫ها‬‫آن‬
،
‫دارای‬
‫انرژی‬
‫کمتر‬
‫از‬
‫گاف‬
‫انرژی‬
‫باشند‬‫می‬
.
‫در‬
‫شکل‬
‫سمت‬
،‫راست‬
‫سطوح‬
‫انرژی‬
‫این‬
‫ها‬‫پیک‬
،
‫در‬
‫مقایسه‬
‫با‬
‫گاف‬
،‫انرژی‬
‫نشان‬
‫داده‬
‫اند‬‫شده‬
.
‫مطابق‬
‫اطالعات‬
،‫قبل‬
‫هایی‬‫فوتون‬
‫با‬
‫انرژی‬
‫کمتر‬
‫از‬
‫انرژی‬
‫گاف‬
،‫انرژی‬
‫نباید‬
‫جذبی‬
‫داشته‬
‫باشند‬
.
‫در‬
‫مورد‬
‫سولفید‬
‫کادمیوم‬
‫که‬
‫نیمه‬
‫هادی‬
‫نوع‬
‫ترکیبی‬
(
extrinsic
)
‫باشد‬‫می‬
،
‫سطوح‬
‫متعددی‬
‫در‬
‫بین‬
‫باند‬
‫هدایت‬
‫و‬
‫ظرفیت‬
‫وجود‬
‫دارد‬
.
16
λ(nm)
‫طیف‬
‫جذبی‬
‫سولفید‬
‫کادمیوم‬
(
‫نیمه‬
‫هادی‬
‫باند‬
‫مستقیم‬
)
،
‫در‬
‫دمای‬
20
‫کلوین‬
‫در‬ ‫اندازه‬ ‫اثر‬
‫سیلسیوم‬
17
DOI: 10.1002/adfm.200801548
‫با‬
‫ریزتر‬
‫شدن‬
،‫ذرات‬
‫محدوده‬
‫غیر‬
‫مجاز‬
‫انرژی‬
‫نیز‬
‫افزایش‬
‫یابد‬‫می‬
.
‫در‬
‫نمونه‬
،‫حجیم‬
‫انرژی‬
‫غیرمجاز‬
،
‫حدود‬
(
‫حدود‬
eV
1.7
)
‫در‬
‫ناحیه‬
‫مادون‬
‫قرمز‬
‫است‬
.
‫بنابراین‬
‫با‬
‫ریزتر‬
،‫شدن‬
‫انرژی‬
‫غیرمجاز‬
‫افزایش‬
‫یافته‬
‫و‬
‫وارد‬
‫محدوده‬
‫مرئی‬
‫شود‬‫می‬
.
‫های‬‫طیف‬
‫متعدد‬
‫نوری‬
‫که‬
‫توان‬‫می‬
‫به‬
‫کمک‬
‫سیلیسیوم‬
‫دست‬
،‫یافت‬
‫مشاهده‬
‫شود‬‫می‬
.
‫طال‬ ‫در‬ ‫اندازه‬ ‫اثر‬
18
SPR
‫به‬
‫اندازه‬
‫ذرات‬
(
‫طال‬
)
‫وابسته‬
‫است‬
.
‫مشاهده‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫پیک‬
،‫جذب‬
‫با‬
‫کاهش‬
‫اندازه‬
،‫ذرات‬
‫در‬
،‫ابتدا‬
‫با‬
‫شیب‬
‫زیاد‬
(
‫انتقال‬
‫آبی‬
‫زیاد‬
)
‫سپس‬
‫با‬
‫شیب‬
،‫کم‬
‫به‬
‫سمت‬
‫های‬‫انرژی‬
‫بیشتر‬
‫منتقل‬
‫گردد‬‫می‬
.
Au--Sphere
Au--Wire
‫عوامل‬
‫موثر‬
‫در‬
SPR
:
1
-
‫نوع‬
‫فلز‬
2
-
‫اندازه‬
‫ذرات‬
‫فلز‬
3
-
‫شکل‬
4
-
‫ساختار‬
5
-
‫ترکیب‬
‫و‬
‫ثابت‬
‫دی‬
‫الکتریک‬
‫محیط‬
surface plasmon resonances
‫طال‬
19
‫پیک‬
‫در‬
‫طول‬
‫موج‬
‫کمتر‬
‫مربوط‬
‫به‬
‫ارتعاشات‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫در‬
‫راستای‬
‫عمود‬
‫بر‬
‫محور‬
‫بزرگ‬
‫میله‬
(
‫عرضی‬
)
‫پیک‬
‫در‬
‫طول‬
‫موج‬
‫بیشتر‬
‫مربوط‬
‫به‬
‫ارتعاش‬
‫الکترون‬
‫در‬
‫راستای‬
‫طول‬
‫نانومیله‬
(
‫طولی‬
)
‫است‬
.
‫در‬
‫واقع‬
‫در‬
‫این‬
،‫شرایط‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫در‬
‫دو‬
‫راستا‬
‫نوسان‬
‫دارند‬
‫و‬
‫در‬
‫هر‬
،‫یک‬
‫دارای‬
‫فرکانس‬
‫تشدید‬
‫مختص‬
‫به‬
‫خود‬
‫باشند‬‫می‬
.
‫نانوذرات‬ ‫شکل‬ ‫اثر‬
‫هر‬
‫اندازه‬
‫شکل‬
‫ذره‬
‫به‬
‫حالت‬
‫دایره‬
‫تر‬‫نزدیک‬
،‫شود‬
‫پیک‬
‫مربوط‬
‫به‬
‫تشدید‬
‫نانو‬
‫ذرات‬
‫به‬
‫سمت‬
‫طول‬
‫های‬‫موج‬
‫آبی‬
‫تر‬‫نزدیک‬
‫شود‬‫می‬
.
‫مطابق‬
،‫شکل‬
‫در‬
‫صورتی‬
‫که‬
‫های‬‫گوشه‬
‫نانو‬
‫ذرات‬
‫از‬
‫حالت‬
‫تیز‬
‫به‬
‫حالت‬
‫گردتر‬
‫تغییر‬
‫کنند‬
،‫نیز‬
‫انتقال‬
‫آبی‬
‫رخ‬
‫خواهد‬
‫داد‬
.
20
‫نقره‬ ‫نانوذرات‬ ‫شکل‬ ‫اثر‬
‫بارهای‬
‫الکتریکی‬
‫به‬
‫طور‬
‫طبیعی‬
‫تمایل‬
‫دارند‬
‫که‬
‫در‬
‫ها‬‫گوشه‬
‫تجمع‬
‫داشته‬
‫باشند‬
.
‫این‬
‫تجمع‬
‫بار‬
‫الکتریکی‬
‫در‬
‫ها‬‫گوشه‬
‫سبب‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫فرکانس‬
‫تشدید‬
‫کاهش‬
‫یابد‬
.
21
‫میرایی‬ ‫نمودارهای‬
(
‫سیاه‬
)
‫جذب‬ ،
(
‫قرمز‬
)
‫و‬
‫پراکندگی‬
(
‫آبی‬
)
‫است‬ ‫شده‬ ‫آورده‬ ‫نیز‬
.
DOI: 10.1002/anie.200802248
‫هر‬
‫اندازه‬
‫تعداد‬
‫حاالتی‬
‫که‬
‫امکان‬
‫شدن‬‫قطبی‬
‫در‬
‫بارهای‬
‫الکتریکی‬
‫بیشتر‬
‫باشد‬
(
‫تقارن‬
‫کمتر‬
)
،
‫تعداد‬
‫های‬‫فرکانس‬
‫تشدید‬
‫بیشتر‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫ها‬‫نانوپوسته‬ ‫اندازه‬ ‫اثر‬
‫نانو‬
‫ها‬‫پوسته‬
،
‫نوعی‬
‫از‬
‫نانوذرات‬
‫شامل‬
‫هسته‬
‫و‬
‫پوسته‬
‫هستند‬
.
‫شامل‬
‫ای‬‫هسته‬
‫از‬
‫مواد‬
‫الکتریک‬‫دی‬
(
‫مانند‬
‫اکسید‬
‫سیلیسیوم‬
)
‫و‬
‫ای‬‫پوسته‬
‫بسیار‬
‫نازک‬
‫از‬
‫فلزی‬
‫مانند‬
‫طال‬
‫باشند‬‫می‬
.
‫در‬
‫این‬
‫نوع‬
‫از‬
،‫نانوذرات‬
‫مطابق‬
،‫شکل‬
‫با‬
‫افزایش‬
‫نسبت‬
‫قطر‬
‫نانو‬
‫ذره‬
‫هسته‬
‫به‬
‫ضخامت‬
‫نانو‬
‫پوسته‬
،‫فلزی‬
‫پیک‬
‫تشدید‬
‫به‬
‫طول‬
‫های‬‫موج‬
‫کمتر‬
‫میل‬
‫کند‬‫می‬
.
22
Chemical Physics Letters 288(1998)243–247
‫اکسایتون‬
‫سطح‬
‫انرژی‬
‫این‬
‫زوج‬
:
1
)
‫گاف‬
‫انرژی‬
،
2
)
‫سطح‬
‫انرژی‬
‫ذره‬
‫آزاد‬
(
‫اکسایتون‬
)
‫درون‬
‫شبکه‬
3
)
‫انرژی‬
‫جاذبه‬
‫الکترواستاتیک‬
‫بین‬
‫آنها‬
‫اکسایتون‬
‫همانند‬
‫اتم‬
‫هیدروژن‬
‫دارای‬
‫های‬‫الیه‬
‫انرژی‬
‫باشد‬‫می‬
،
‫تعیین‬
‫کنند‬‫می‬
.
‫در‬
‫جامدات‬
،‫حجیم‬
‫انرژی‬
،‫دوم‬
‫اثر‬
‫قابل‬
‫توجهی‬
‫ندارد‬
.
‫سطوح‬
‫مختلف‬
‫انرژی‬
‫هیدروژن‬
،‫گونه‬
‫اکسایتون‬
،
‫به‬
‫صورت‬
‫زیر‬
‫است‬
:
23
‫که‬
m*
‫جرم‬
‫موثر‬
‫الکترون‬
‫و‬
‫حفره‬
(
‫اکسایتون‬
)
‫و‬
n
‫عددی‬
‫صحیح‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫به‬
‫عالوه‬
e
‫بار‬
‫الکترون‬
‫و‬
ε
‫ثابت‬
‫الکتریک‬‫دی‬
‫ماده‬
‫است‬
.
‫برای‬
‫مقدار‬
n
‫برابر‬
‫با‬
،‫یک‬
‫انرژی‬
‫حالت‬
‫پایه‬
‫اکسایتون‬
‫به‬
‫دست‬
‫آید‬‫می‬
‫که‬
‫برابر‬
‫با‬
‫انرژی‬
‫یونیزاسیون‬
‫آن‬
(E )
‫باشد‬‫می‬
.
‫اکسایتون‬
:
‫الکترون‬
-
‫خنثی‬ ‫ذره‬ ‫شبه‬ ،‫هم‬‫به‬ ‫مقید‬ ‫حفره‬
‫فوتون‬
+
‫هادی‬‫نیمه‬
--
>
‫اکسایتون‬
‫اکسایتون‬
+
‫فوتون‬
--
>
‫پالریتون‬
‫آزاد‬ ‫اکسایتون‬
+
‫آزاد‬ ‫اکسایتون‬
--
>
(
biexciton-2ω
)
‫و‬
...
‫اکسایتون‬
‫درایو‬
‫انرژی‬
‫اکسایتون‬
:
1
)
‫با‬
‫کمک‬
‫مکانیک‬
‫کوانتوم‬
‫با‬
‫تعیین‬
‫انرژی‬
‫پتانسیل‬
‫بین‬
‫الکترون‬
‫و‬
‫حفره‬
2
)
‫با‬
‫کمک‬
‫روشی‬
‫شبه‬
‫کالسیک‬
(
‫روش‬
‫بوهر‬
‫برای‬
‫های‬‫طیف‬
‫هیدروژن‬
)
‫در‬
‫این‬
‫روش‬
‫فرض‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫الکترون‬
‫و‬
‫حفره‬
‫بر‬
‫هم‬
‫نیروی‬
‫کولنی‬
‫وارد‬
‫کرده‬
‫و‬
‫حول‬
‫مرکز‬
،‫جرمشان‬
‫متاثر‬
‫از‬
‫این‬
،‫نیرو‬
‫حرکتی‬
‫دورانی‬
‫دارند‬
.
‫به‬
،‫عالوه‬
‫فرض‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫اندازه‬
‫حرکت‬
‫ای‬‫زاویه‬
‫مرکز‬
،‫جرم‬
‫کوانتایی‬
‫باشد‬
.
24
     
r
Ef
r
f
r
e
r
f
2
2
2
2







2
2
2
2
2
2
2
z
y
x 









h
e
h
e
m
m
m
m



2
2
2
z
y
x
r 


  B
a
r
3
B
e
a
1
r
f 


2
2
B
e
a




2
B
2
2
2
4
bin
a
2
2
e
E


 



‫اکسایتون‬
‫انرژی‬
‫حالت‬
‫پایه‬
‫اکسایتون‬
(
‫انرژی‬
‫یونیزاسیون‬
‫و‬
‫یا‬
‫انرژی‬
‫کنش‬‫برهم‬
‫الکترواستاتیک‬
‫اکسایتون‬
)
،
Ex
،
‫حدود‬
0.01
‫الکترون‬
-
‫ولت‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫شعاع‬
‫ها‬‫اکسایتون‬
‫نیز‬
‫در‬
‫حد‬
‫ابعاد‬
‫شبکه‬
‫کریستالی‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫با‬
‫توجه‬
‫به‬
‫انرژی‬
‫یونیزاسیون‬
‫کم‬
‫ها‬‫اکسایتون‬
‫در‬
‫جامدات‬
،‫حجیم‬
‫در‬
‫دماهای‬
،‫باال‬
‫انرژی‬
‫حرارتی‬
‫تواند‬‫می‬
‫سبب‬
‫تجزیه‬
‫و‬
‫از‬
‫بین‬
‫رفتن‬
‫ها‬‫اکسایتون‬
‫شود‬
.
25
‫کوانتومی‬ ‫نقاط‬ ‫تر‬‫دقیق‬ ‫تعریف‬
:
‫بور‬ ‫شعاع‬ ‫با‬ ‫مقایسه‬ ‫قابل‬ ‫مشخصه‬ ‫اندازه‬ ‫با‬ ‫هادی‬‫نیمه‬ ‫صفربعدی‬ ‫ذرات‬
‫بزرگتر‬ ‫اندازه‬
--
>
‫الکترون‬ ‫جدایی‬ ‫احتمال‬ ‫افزایش‬
-
‫حفره‬
‫بیشتر‬ ‫مطالعه‬
1- Guozhong Cao “Nanostructures and Nanomaterials Synthesis, Properties, and
Applications” Imperial College Press, 2004
2- Rolf E. Hummel “Electronic Properties of Materials” Springer, 2010
3-Emil Roduner “Size matters: why nanomaterials are different” Chem. Soc. Rev., 2006, 35,
583–592.
4. JOHANNES EISENMENGER AND, IVAN K. SCHULLER “MAGNETIC
NANOSTRUCTURES: Overcoming Thermal Fluctuations” Nature Materials, 2, 2003, 437-
438.
5. M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, PHYSICAL REVIEW LETTERS, 82(1) 1999, 197-200.
6. Acc Chem Res. 2010 43(2) 190–200
7. A. M. Smith, A. M. Mohs, Sh. Nie, “Tuning the optical and electronic properties of
colloidal nanocrystals by lattice strain” NATURE NANOTECHNOLOGY 4 (2009) 56-63.
8. Chem. Mater. 2003, 15, 2854-2860.
9. Phys. Rev. B.54(1996) 4843-4856.
10. Phys. Rev. B 42, (1990 )7253 -725.
11. Phys. Rev B, 45(7) 1992, 3410-3416.
12. Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 696–703.
13. S. Kar “Morphology and Size Dependent Optical Properties of CdS Nanostructures” J.
Nanosci. Nanotechnol, 2006 (6), 1–6.
14. Langmuir 1994,10, 3427-3430.
15. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.3.013024
26
‫پاسخ‬ ‫و‬ ‫پرسش‬
‫فراوان‬ ‫سپاس‬ ‫با‬
27
‫فولرین‬
28
‫در‬
‫سال‬
1981
،
‫روشی‬
‫برای‬
‫سنتز‬
‫های‬‫خوشه‬
‫فلزی‬
‫ابداع‬
‫شد‬
‫که‬
‫در‬
‫آن‬
‫به‬
‫کمک‬
‫لیزری‬
‫متمرکز‬
‫و‬
،‫قدرتمند‬
‫فلزات‬
‫در‬
‫محیط‬
،‫پالسمایی‬
‫تبخیر‬
‫شدند‬‫می‬
‫و‬
‫سپس‬
‫با‬
‫دمش‬
‫گاز‬
،‫هلیم‬
‫بخار‬
‫فلزات‬
‫سرد‬
‫شد‬‫می‬
.
‫در‬
‫نتیجه‬
‫های‬‫اتم‬
‫ماده‬
‫به‬
‫صورت‬
‫هایی‬‫خوشه‬
‫با‬
‫های‬‫اندازه‬
‫مختلف‬
‫متراکم‬
‫شدند‬‫می‬
.
‫در‬
‫سال‬
1985
‫این‬
‫روش‬
‫برای‬
‫تولید‬
‫فولرین‬
(C60)
‫استفاده‬
‫شد‬
.
‫بلور‬
‫فولرین‬
‫فولرین‬
29
‫های‬‫فولرین‬
‫با‬
‫تعداد‬
‫های‬‫اتم‬
‫کربن‬
‫کمتر‬
‫از‬
60
‫نیز‬
‫وجود‬
‫دارند‬
.
‫فولرین‬
C20
‫و‬
C36
،
‫هایی‬‫فولرین‬
‫هستند‬
‫که‬
‫با‬
‫این‬
‫شرایط‬
‫بوده‬
‫و‬
‫شناخته‬
‫اند‬‫شده‬
.
‫در‬
‫این‬
،‫ساختارها‬
‫تعداد‬
5
‫ها‬‫ضلعی‬
،
‫نسبت‬
‫به‬
‫تعداد‬
6
‫های‬‫ضلعی‬
‫های‬‫فولرین‬
،‫پایدارتر‬
‫بیشتر‬
‫است‬
.
‫به‬
‫سبب‬
‫اعوجاج‬
‫زیاد‬
‫درون‬
،‫شبکه‬
‫ها‬‫این‬
‫ساختارهای‬
‫بسیار‬
‫ناپایداری‬
‫هستند‬
‫و‬
‫تنها‬
‫در‬
‫های‬‫زمان‬
‫کوتاهی‬
‫امکان‬
‫تشکیل‬
‫دارند‬
.
‫مطابق‬
‫قانون‬
‫جدا‬
‫از‬
‫هم‬
‫بودن‬
‫پنج‬
‫ها‬‫ضلعی‬
،
‫هر‬
‫اندازه‬
‫تعداد‬
‫پنج‬
‫های‬‫ضلعی‬
‫بیشتری‬
‫در‬
‫کنار‬
‫هم‬
،‫باشند‬
‫میزان‬
‫ناپایداری‬
‫افزایش‬
‫یابد‬‫می‬
.
‫در‬
‫مولکول‬
C20
،
‫های‬‫اتم‬
‫کربن‬
‫تنها‬
‫به‬
‫صورت‬
‫پنج‬
‫هایی‬‫ضلعی‬
‫در‬
‫کنار‬
‫یکدیگر‬
‫قرار‬
‫اند‬‫گرفته‬
.
‫بلور‬
‫فولرین‬
‫فولرین‬
30
‫به‬
‫دلیل‬
‫ساختار‬
‫قفس‬
‫مانند‬
‫ها‬‫آن‬
،
‫امکان‬
‫به‬
‫دام‬
‫انداختن‬
‫برخی‬
‫ها‬‫یون‬
‫درونشان‬
‫وجود‬
‫دارد‬
‫و‬
‫نیز‬
‫توان‬‫می‬
‫برخی‬
‫های‬‫گروه‬
‫عامل‬
‫را‬
‫از‬
‫بیرون‬
‫به‬
‫ها‬‫آن‬
‫چسباند‬
.
‫به‬
‫دلیل‬
‫بودن‬‫کوچک‬
‫این‬
‫دسته‬
‫از‬
،‫مواد‬
7
‫تا‬
10
،‫انگستروم‬
‫توان‬‫می‬
‫از‬
‫ها‬‫آن‬
‫در‬
‫انتقال‬
‫داروها‬
‫استفاده‬
‫نمود‬
.
‫همچنین‬
‫از‬
‫این‬
‫ماده‬
(
‫شده‬‫دوپ‬
‫با‬
‫عنصر‬
‫گادولونیم‬
)
‫عنوان‬‫به‬
‫عامل‬
‫ایجاد‬
‫کننده‬
‫کنتراست‬
‫نور‬
‫در‬
‫تصویربرداری‬
‫تشدید‬
‫مغناطیسی‬
(MRI)
‫استفاده‬
‫شود‬‫می‬
.
‫از‬
‫مهمترین‬
‫موانع‬
‫استفاده‬
‫از‬
‫این‬
‫ماده‬
‫در‬
‫کاربردهای‬
‫پزشکی‬
‫عدم‬
‫حاللیت‬
‫آن‬
‫در‬
‫آب‬
‫و‬
‫سایر‬
‫های‬‫حالل‬
‫مانند‬
‫آن‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫این‬
،‫مساله‬
‫از‬
‫آبگریز‬
‫بودن‬
‫شدید‬
‫فولرین‬
‫نتیجه‬
‫شود‬‫می‬
.
‫این‬
‫مشکل‬
،‫را‬
‫با‬
‫کمک‬
‫مشتقات‬
‫فولرین‬
‫و‬
‫یا‬
‫ایجاد‬
‫کمپلکس‬
‫از‬
‫آن‬
‫رفع‬
‫کنند‬‫می‬
.
‫بلور‬
‫فولرین‬
‫فولرین‬
31
‫های‬‫اتم‬
‫کربن‬
‫در‬
،‫فولرین‬
‫دارای‬
‫هیبرید‬
sp2
‫باشند‬‫می‬
‫و‬
‫با‬
‫سه‬
‫اتم‬
،‫دیگر‬
‫دو‬
‫پیوند‬
‫سیگما‬
(σ)
‫و‬
‫یک‬
‫پیوند‬
‫پی‬
(π)
‫تشکیل‬
‫اند‬‫داده‬
.
‫همانگونه‬
‫که‬
‫بیان‬
،‫شد‬
‫قطر‬
‫فولرین‬
‫حدود‬
7.1
‫انگستروم‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫طول‬
‫باند‬
C-C
‫بین‬
‫یک‬
‫شش‬
‫ضلعی‬
‫و‬
‫یک‬
5
‫ضلعی‬
(
‫باند‬
‫یگانه‬
)
،
‫بزرگتر‬
(1.446Ao)
‫و‬
‫طول‬
‫باند‬
‫بین‬
‫دو‬
‫شش‬
‫ضلعی‬
(
‫باند‬
‫دو‬
‫گانه‬
)
‫کوچکتر‬
(1.402Ao)
‫است‬
.
‫بلور‬
‫فولرین‬
‫باند‬
‫باند‬
‫پی‬
‫نانولوله‬
‫کربن‬
‫یکی‬
‫دیگر‬
‫از‬
‫ساختارهای‬
‫ف‬‫و‬‫معر‬
‫و‬
‫جدید‬
،‫کربن‬
‫های‬‫نانولوله‬
‫کربنی‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫ن‬
‫انولوله‬
‫کربن‬
،‫ا‬‫ر‬
‫ایجیما‬
‫در‬
‫سال‬
1990
،
‫کشف‬
‫نمود‬
.
‫به‬
‫ر‬‫طو‬
،‫کلی‬
‫دو‬
‫نوع‬
‫نانولوله‬
‫کربنی‬
‫وجود‬
‫دار‬
‫د‬
‫که‬
‫شامل‬
‫تک‬
‫و‬
‫چند‬
‫الیه‬
‫باشند‬‫می‬
.
‫در‬
‫شکل‬
‫زیر‬
‫دو‬
‫نوع‬
‫نانولوله‬
،‫کربنی‬
‫نشان‬
‫دا‬
‫ده‬
‫اند‬‫شده‬
.
32
‫نانولوله‬
‫کربن‬
‫در‬
‫شکل‬
‫زیر‬
‫تصویر‬
‫حاصل‬
‫از‬
‫سکوپ‬‫و‬‫میکر‬
‫نی‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫دو‬
‫نوع‬
‫نانولوله‬
‫کربنی‬
‫ن‬
‫شان‬
‫داده‬
‫شده‬
‫است‬
.
،‫نانولوله‬
‫در‬
‫واقع‬
‫عبارت‬
‫از‬
‫پیچش‬
‫صفحات‬
،‫افیتی‬‫ر‬‫گ‬
‫به‬
‫ت‬‫ر‬‫صو‬
‫ای‬‫لوله‬
،
‫م‬
‫باشد‬‫ی‬
.
‫این‬‫ر‬‫بناب‬
‫توان‬‫می‬
‫فت‬‫گ‬
‫که‬
‫این‬
‫ترکیب‬
،‫کربنی‬
‫یک‬
‫پ‬‫و‬‫لوتر‬‫ا‬
‫جدید‬
‫از‬
،‫کربن‬
‫نی‬
‫ست‬
.
‫های‬‫نانولوله‬
‫کربنی‬
‫نیز‬
‫در‬
‫حالت‬
‫شده‬‫دوپ‬
‫با‬
‫عناصر‬
،‫مختلف‬
‫خواص‬
‫متنوعی‬
‫ا‬‫ر‬
‫نشان‬
‫دهند‬‫می‬
.
33
‫نانولوله‬
‫کربن‬
‫ی‬‫نامگذار‬
‫نانولوله‬
‫با‬
‫توجه‬
‫به‬
‫نوع‬
‫پیچش‬
‫صفحات‬
‫افیتی‬‫ر‬‫گ‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫ای‬‫ر‬‫ب‬
‫ای‬
‫ن‬
،‫ر‬‫منظو‬
‫مطابق‬
‫شکل‬
،‫زیر‬
‫صفحه‬
‫افیتی‬‫ر‬‫گ‬
‫ی‬‫گذار‬‫شماره‬
‫شود‬‫می‬
.
‫از‬
‫یک‬
‫مبداء‬
‫دلخواه‬
‫توان‬‫می‬
‫هر‬
‫ش‬
‫ش‬
‫وجهی‬
‫ا‬‫ر‬
‫به‬
‫ت‬‫ر‬‫صو‬
‫یگانه‬
،
‫ی‬‫گذار‬‫شماره‬
‫نمود‬
.
‫در‬
‫تی‬‫ر‬‫صو‬
‫که‬
‫جهت‬
‫چرخش‬
‫در‬
‫استای‬‫ر‬
(n,n)
،‫باشد‬
‫ساختار‬
‫نانو‬
‫لوله‬
‫ا‬‫ر‬
‫رمچیر‬‫ا‬
‫و‬
‫در‬
‫تی‬‫ر‬‫صو‬
‫که‬
‫در‬
‫استای‬‫ر‬
(n,0)
،‫باشد‬
‫ساختار‬
‫ا‬‫ر‬
‫اگ‬‫ز‬‫زیگ‬
‫نامند‬‫می‬
.
‫خواص‬
‫نانولوله‬
‫نیز‬
‫به‬
‫نوع‬
‫چرخش‬
‫وابسته‬
‫باشد‬‫می‬
.
34
(i, 0)
(i, 1)
(i, 3)
‫نانولوله‬
‫کربن‬
‫نانولوله‬
‫کربن‬
‫ا‬‫ر‬
‫توان‬‫می‬
‫مانند‬
‫ای‬‫الیه‬
(
‫کاغذی‬
)
‫از‬
‫افیت‬‫ر‬‫گ‬
‫در‬
‫نظر‬
‫گرفت‬
‫که‬
‫دو‬
‫س‬
‫ر‬
‫ن‬‫ا‬
‫به‬
‫هم‬
‫وصل‬
‫اند‬‫شده‬
.
‫در‬
‫الیه‬
،‫افیت‬‫ر‬‫گ‬
‫هر‬
‫اتم‬
‫کربن‬
‫با‬
‫سه‬
‫اتم‬
‫کربن‬
‫دیگر‬
‫پیوند‬
‫برقر‬
‫ار‬
‫کرده‬
‫است‬
.
‫هیبرید‬
‫های‬‫اتم‬
‫کربن‬
SP2
‫باشد‬‫می‬
.
35
(a) armchair (b) zigzag (c) chiral
‫نیمه‬
‫ها‬‫هادی‬
‫نیمه‬
‫های‬‫هادی‬
‫نوع‬
n
‫و‬
p
‫نیز‬
‫دارای‬
‫سطوح‬
‫انرژی‬
‫بین‬
‫گاف‬
‫انرژی‬
‫هستند‬
‫که‬
‫در‬
‫نتیجه‬
‫توانند‬‫می‬
‫سبب‬
‫ایجاد‬
‫پیک‬
‫در‬
‫منحنی‬
‫جذب‬
‫نیمه‬
‫ها‬‫هادی‬
‫شوند‬
.
‫توضیح‬
‫این‬
‫که‬
‫نیمه‬
‫ها‬‫هادی‬
‫را‬
‫توان‬‫می‬
‫به‬
‫نیمه‬
‫های‬‫هادی‬
‫ذاتی‬
(
‫عنصری‬
)
‫و‬
‫ترکیبی‬
(
‫مانند‬
CdS
،
GaAs
‫و‬
‫نیز‬
‫نیمه‬
‫های‬‫هادی‬
‫شده‬‫دوپ‬
‫با‬
‫مقادیر‬
‫جزیی‬
‫از‬
‫سایر‬
‫عناصر‬
)
‫تقسیم‬
‫نمود‬
.
‫با‬
‫توجه‬
‫به‬
‫این‬
‫که‬
‫ترکیبات‬
‫و‬
‫یا‬
‫ماده‬
‫دوپ‬
،‫شده‬
‫از‬
‫دید‬
‫تعداد‬
‫های‬‫الکترون‬
‫الیه‬
‫ظرفیت‬
‫چه‬
‫نسبتی‬
‫با‬
‫هم‬
(
‫با‬
‫اتم‬
‫زمینه‬
)
،‫دارند‬
‫نیمه‬
‫هادی‬
‫نوع‬
n
(
‫دهنده‬
‫الکترون‬
)
‫و‬
‫یا‬
‫نوع‬
p
‫گیرنده‬
‫الکترون‬
‫خواهد‬
‫بود‬
.
36
‫نیمه‬
‫ها‬‫هادی‬
‫های‬‫حالت‬
‫انرژی‬
‫دیگری‬
‫نیز‬
(
‫مانند‬
‫های‬‫حالت‬
‫حاصل‬
‫از‬
‫سطح‬
‫و‬
‫یا‬
‫عیوب‬
)
‫توانند‬‫می‬
‫ایجاد‬
‫شوند‬
.
‫های‬‫حالت‬
‫انرژی‬
‫در‬
،‫سطح‬
‫با‬
‫ریزتر‬
‫شدن‬
‫ذرات‬
‫اهمیت‬
‫بیشتری‬
‫پیدا‬
‫کنند‬‫می‬
.
‫این‬
‫های‬‫حالت‬
‫انرژی‬
‫نیز‬
‫درون‬
‫گاف‬
‫انرژی‬
‫قرار‬
‫دارند‬
‫و‬
‫لذا‬
‫توانند‬‫می‬
‫سبب‬
‫ایجاد‬
‫پیک‬
‫در‬
‫منحنی‬
‫جذب‬
‫نوری‬
‫نیمه‬
‫ها‬‫هادی‬
‫بشوند‬
.
‫این‬
‫ها‬‫حالت‬
،
‫زمانی‬
‫اهمیت‬
‫پیدا‬
‫کنند‬‫می‬
‫که‬
‫نسبت‬
‫سطح‬
‫به‬
‫حجم‬
‫ماده‬
‫زیاد‬
‫باشد‬
(
‫اندازه‬
‫ذرات‬
‫بسیار‬
‫کوچک‬
)
‫و‬
‫یا‬
‫چگالی‬
‫عیوب‬
‫باال‬
‫باشد‬
.
‫در‬
‫شکل‬
،‫زیر‬
‫وجود‬
‫های‬‫الکترون‬
‫نشده‬‫زوج‬
‫و‬
‫سطح‬
‫انرژی‬
‫ها‬‫آن‬
‫در‬
‫ساختار‬
‫باندی‬
‫نشان‬
‫داده‬
‫شده‬
‫است‬
.
37
Eg
Intrinsic
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
e-
Energy
e-
‫به‬
‫همین‬
‫دلیل‬
‫گاهی‬
‫برای‬
‫حذف‬
‫این‬
‫ها‬‫پیک‬
،
‫سطح‬
‫نانو‬
‫ذره‬
‫را‬
M. V. Wolkin, J. Jorne, P. M. Fauchet, PHYSICAL REVIEW
LETTERS, 82(1) 1999, 197-200
‫نیمه‬
‫ها‬‫هادی‬
‫البته‬
‫ممکن‬
‫است‬
‫در‬
،‫سطح‬
‫حفرات‬
‫الکترونی‬
(h+)
‫نیز‬
‫تشکیل‬
‫شوند‬
.
‫در‬
‫واقع‬
‫در‬
‫این‬
،‫شرایط‬
‫به‬
‫دلیل‬
‫کاهش‬
‫عدد‬
‫کئوردیناسیون‬
(
‫تعداد‬
‫پیوندها‬
)
‫در‬
،‫سطح‬
‫یا‬
‫اوربیتال‬
‫خالی‬
‫در‬
‫آن‬
‫وجود‬
‫خواهد‬
‫داشت‬
‫که‬
‫این‬
‫اوربیتال‬
‫خالی‬
‫همانند‬
‫حالت‬
‫انرژی‬
‫حفره‬
‫عمل‬
‫کند‬‫می‬
‫و‬
‫ها‬‫الکترون‬
‫توانند‬‫می‬
‫با‬
‫دریافت‬
‫انرژی‬
‫کمی‬
‫از‬
‫ها‬‫فوتون‬
،
‫در‬
‫آن‬
‫قرار‬
‫بگیرند‬
‫و‬
‫یا‬
‫هایی‬‫الکترون‬
‫در‬
‫سطح‬
‫خواهند‬
‫بود‬
‫که‬
‫پیوند‬
‫برقرار‬
‫اند‬‫نکرده‬
(
‫اوربیتال‬
‫پر‬‫نیمه‬
)
‫و‬
‫بنابراین‬
‫توانند‬‫می‬
‫با‬
‫سهولت‬
‫بیشتری‬
‫به‬
‫سطح‬
‫انرژی‬
‫باالتر‬
‫منتقل‬
‫شوند‬
.
38
h+
h+
h+
h+
h+
h+
h+
h+
Energy
h+
Eg
Intrinsic
h+
h
+
h
+
h+
h+
h+
h+
h+ h+
e-
‫پوسته‬ ‫هسته‬ ‫در‬ ‫تنش‬
‫در‬
‫صورتی‬
‫که‬
‫قطر‬
‫نانو‬
‫ذره‬
‫هسته‬
‫افزایش‬
‫یافته‬
(6.2nm)
‫و‬
‫به‬
‫حدی‬
‫برسد‬
‫که‬
‫نتواند‬
‫تنش‬
‫اعمالی‬
‫را‬
‫تحمل‬
‫کرده‬
‫و‬
‫در‬
‫نتیجه‬
‫در‬
‫آن‬
‫عیب‬
‫القاء‬
،‫شود‬
‫انتقال‬
‫به‬
‫طیف‬
‫های‬
‫قرمز‬
‫در‬
‫اثر‬
‫اعمال‬
،‫تنش‬
‫چندان‬
‫قابل‬
‫توجه‬
‫نیست‬
.
‫این‬
‫مساله‬
‫در‬
‫شکل‬
‫زیر‬
‫مشاهده‬
‫شود‬‫می‬
.
39
A. M. Smith, A. M. Mohs, Sh. Nie, “Tuning the optical and electronic properties of colloidal nanocrystals by lattice
strain” NATURE NANOTECHNOLOGY 4 (2009) 56-63
‫پوسته‬ ‫هسته‬ ‫در‬ ‫تنش‬
‫در‬
‫توضیح‬
‫رفتار‬
‫غیر‬
‫عادی‬
‫شده‬‫مشاهده‬
(
‫انتقال‬
‫قرمز‬
‫در‬
‫طیف‬
‫جذب‬
)
‫این‬
‫گونه‬
‫استدالل‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫در‬
‫اثر‬
‫اعمال‬
‫های‬‫تنش‬
‫فشاری‬
‫و‬
‫کششی‬
‫بر‬
‫هسته‬
‫و‬
،‫پوسته‬
‫باند‬
‫هدایت‬
‫در‬
‫هسته‬
‫افزایش‬
‫انرژی‬
‫یافته‬
‫و‬
‫در‬
،‫پوسته‬
‫کاهش‬
‫انرژی‬
‫رخ‬
‫دهد‬‫می‬
.
‫در‬
‫واقع‬
‫این‬
‫دو‬
‫به‬
‫هم‬
‫نزدیک‬
‫شوند‬‫می‬
.
‫در‬
‫این‬
‫شرایط‬
‫باند‬
‫ظرفیت‬
‫تغییر‬
‫قابل‬
‫توجهی‬
‫ندارد‬
.
‫این‬
‫سبب‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫تابع‬
‫موج‬
‫الکترون‬
‫در‬
‫تمام‬
‫نانوذره‬
(
‫هسته‬
‫و‬
‫پوسته‬
)
‫منتشر‬
‫شود‬
‫و‬
‫تابع‬
‫موج‬
‫حفره‬
‫تنها‬
‫در‬
،‫هسته‬
‫قرار‬
‫گیرد‬
.
‫با‬
‫افزایش‬
‫تعداد‬
‫های‬‫الیه‬
،‫پوسته‬
‫در‬
‫نهایت‬
‫انرژی‬
‫باند‬
‫هدایت‬
‫هسته‬
‫بیشتر‬
‫از‬
‫باند‬
‫هدایت‬
‫پوسته‬
‫شود‬‫می‬
‫و‬
‫تابع‬
‫موج‬
‫الکترون‬
‫به‬
‫پوسته‬
‫منتقل‬
‫گردد‬‫می‬
.
‫به‬
‫این‬
،‫ترتیب‬
‫کنش‬‫برهم‬
‫بین‬
‫الکترون‬
‫و‬
‫حفره‬
‫کاهش‬
‫یابد‬‫می‬
.
‫ترکیب‬
‫مجدد‬
‫الکترون‬
‫و‬
‫حفره‬
‫غیر‬
‫مستقیم‬
‫شده‬
‫و‬
‫تر‬‫سخت‬
‫شود‬‫می‬
‫و‬
‫انتقال‬
‫قرمز‬
‫نیز‬
‫رخ‬
‫دهد‬‫می‬
.
40
A. M. Smith, A. M. Mohs, Sh. Nie, “Tuning the optical and electronic properties of colloidal nanocrystals by lattice
strain” NATURE NANOTECHNOLOGY 4 (2009) 56-63
Eg
Eg
e
e
‫تنش‬ ‫و‬ ‫هسته‬ ‫در‬ ‫فشاری‬ ‫تنش‬ ‫افزایش‬
‫پوسته‬ ‫در‬ ‫کششی‬
h h
‫پوسته‬ ‫هسته‬ ‫در‬ ‫تنش‬
‫مطابق‬
‫شکل‬
،‫زیر‬
‫در‬
‫این‬
‫شرایط‬
‫مطابق‬
،‫انتظار‬
‫با‬
‫افزایش‬
‫تنش‬
‫در‬
‫هسته‬
‫و‬
،‫پوسته‬
‫زمان‬
‫فروپاشی‬
‫فلوئورسان‬
‫نیز‬
‫افزایش‬
‫یابد‬‫می‬
.
41
A. M. Smith, A. M. Mohs, Sh. Nie, “Tuning the optical and electronic properties of colloidal nanocrystals by lattice
strain” NATURE NANOTECHNOLOGY 4 (2009) 56-63
Eg
stokes shift
‫به‬
‫ر‬‫طو‬
‫طبیعی‬
‫بین‬
‫ژی‬‫انر‬
‫فوتون‬
‫شده‬‫جذب‬
‫و‬
‫منتشرشده‬
‫از‬
‫نانو‬
،‫ذره‬
‫انتقال‬
‫قرمز‬
‫وجود‬
‫دارد‬
‫که‬
‫پاشی‬‫و‬‫فر‬
‫غیر‬
‫ت‬
،‫شعشعی‬
‫یکی‬
‫از‬
‫عوامل‬
‫ن‬‫ا‬
‫باشد‬‫می‬
.
‫به‬
‫این‬
‫پدیده‬
Stokes Shift
‫گویند‬‫می‬
.
‫نی‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫که‬
‫با‬
‫جذب‬
‫ژی‬‫انر‬
،‫فوتون‬
‫به‬
‫سطح‬
‫ژی‬‫انر‬
‫باالتر‬
(
‫باند‬
‫هدایت‬
)
‫منتقل‬
‫شود‬‫می‬
،
‫در‬
‫بازگشت‬
‫به‬
‫حالت‬
،‫پایه‬
‫به‬
‫ر‬‫طو‬
‫معمول‬
‫ی‬‫مقدار‬
‫از‬
‫ژی‬‫انر‬
‫خود‬
‫ا‬‫ر‬
‫به‬
‫های‬‫ت‬‫ر‬‫صو‬
‫مختلف‬
‫از‬
‫د‬
‫ست‬
‫دهد‬‫می‬
‫و‬
‫لذا‬
‫ژی‬‫انر‬
‫فوتون‬
‫نشری‬
‫کمتر‬
‫از‬
‫فوتون‬
‫جذبی‬
‫باشد‬‫می‬
.
42
stokes shift
‫ن‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫شده‬‫تحریک‬
‫به‬
‫باند‬
‫ژی‬‫انر‬
،‫باالتر‬
‫تواند‬‫می‬
‫تا‬
‫حدی‬
‫از‬
‫ژی‬‫انر‬
‫خود‬
‫ا‬‫ر‬
‫صرف‬
‫تعاشات‬‫ر‬‫ا‬
‫شبکه‬
‫نماید‬
.
‫به‬
‫ع‬
‫بارت‬
،‫دیگر‬
‫ن‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫با‬
‫د‬‫ر‬‫برخو‬
‫با‬
‫ات‬‫ر‬‫ذ‬
‫باعث‬
‫ایش‬‫ز‬‫اف‬
‫ژی‬‫انر‬
‫ها‬‫ن‬‫ا‬
‫شود‬‫می‬
‫و‬
‫لذا‬
‫ژی‬‫انر‬
‫خود‬
‫ن‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫در‬
‫این‬
‫کنش‬‫برهم‬
‫کاهش‬
‫یابد‬‫می‬
.
‫بناب‬
‫این‬‫ر‬
‫ن‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫با‬
‫انتشار‬
،‫فونون‬
‫در‬
‫هنگام‬
‫بازگشت‬
‫به‬
‫حالت‬
‫پایه‬
،‫خود‬
‫ژی‬‫انر‬
‫کمتری‬
‫خواهد‬
‫داشت‬
.
‫توضیح‬
‫این‬
‫که‬
‫ژی‬‫انر‬
‫فوتون‬
‫شده‬‫جذب‬
‫تواند‬‫می‬
‫تا‬
‫ای‬‫اندازه‬
‫باشد‬
‫که‬
‫ها‬‫ن‬‫و‬‫تر‬‫الک‬
‫ا‬‫ر‬
‫به‬
‫های‬‫الیه‬
‫باالتر‬
‫از‬
‫لبه‬
،‫جذب‬
‫منتقل‬
‫نماید‬
.
43
stokes shift
‫در‬
‫شکل‬
،‫زیر‬
‫ات‬‫ر‬‫تغیی‬
‫ژی‬‫انر‬
‫انتقال‬
‫استوکس‬
‫در‬
‫د‬‫ر‬‫مو‬
‫نانو‬
‫ات‬‫ر‬‫ذ‬
CdSe
‫ده‬‫ر‬‫و‬‫ا‬
‫شده‬
‫است‬
.
‫به‬
‫وضوح‬
‫مشاهده‬
‫شود‬‫می‬
‫که‬
‫با‬
‫ایش‬‫ز‬‫اف‬
‫اندازه‬
،‫ات‬‫ر‬‫ذ‬
‫به‬
‫تدریج‬
‫ان‬‫ز‬‫می‬
‫اختالف‬
‫ژی‬‫انر‬
‫نخستین‬
‫پیک‬
‫جذب‬
‫و‬
،‫نشر‬
‫کاهش‬
‫یابد‬‫می‬
.
44
Phys. Rev. B.54(1996) 4843-4856

Weitere ähnliche Inhalte

Mehr von Inv. Ali Bakhshi

Mehr von Inv. Ali Bakhshi (9)

QDThinFilms-5.pptx
QDThinFilms-5.pptxQDThinFilms-5.pptx
QDThinFilms-5.pptx
 
QDThinFilms-4.pptx
QDThinFilms-4.pptxQDThinFilms-4.pptx
QDThinFilms-4.pptx
 
QDThinFilms-3.pptx
QDThinFilms-3.pptxQDThinFilms-3.pptx
QDThinFilms-3.pptx
 
Nanophotonics - day7.pptx
Nanophotonics - day7.pptxNanophotonics - day7.pptx
Nanophotonics - day7.pptx
 
Nanophotonics - day8.pptx
Nanophotonics - day8.pptxNanophotonics - day8.pptx
Nanophotonics - day8.pptx
 
Nanophotonics - day5.pptx
Nanophotonics - day5.pptxNanophotonics - day5.pptx
Nanophotonics - day5.pptx
 
Nanophotonics - day4.pptx
Nanophotonics - day4.pptxNanophotonics - day4.pptx
Nanophotonics - day4.pptx
 
Nanophotonics - day3.pptx
Nanophotonics - day3.pptxNanophotonics - day3.pptx
Nanophotonics - day3.pptx
 
Patent Introduction - Persian.pptx
Patent Introduction - Persian.pptxPatent Introduction - Persian.pptx
Patent Introduction - Persian.pptx
 

QDThinFilms-1.pptx