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A incrível jornada dos pontos quânticos: por que eles são chamados de "átomos artificiais"
No campo da nanotecnologia e da ciência dos materiais, os pontos quânticos (PQs) tornaram-se recentemente um tema quente. Esses nanocristais semicondutores, que têm apenas alguns nanômetros de tamanho, têm propriedades ópticas e eletrônicas muito diferentes daquelas de partículas maiores. Os pontos quânticos são tão atraentes em parte por causa dos efeitos mecânicos quânticos que eles exibem, o que levou essas pequenas partículas a serem chamadas de "átomos artificiais".
Acredita-se que os pontos quânticos possuam propriedades intermediárias entre as dos semicondutores em massa e dos átomos ou moléculas discretos.
Quando os pontos quânticos são expostos à luz ultravioleta, os elétrons são excitados para um estado de energia mais alto. Em pontos quânticos semicondutores, esse processo corresponde à transferência de elétrons da banda de valência para a banda de condução. Quando o elétron retorna à banda de valência, ele libera energia luminosa, e essa radiação luminosa é chamada de fotoluminescência. Curiosamente, a cor da luz emitida varia dependendo da diferença de energia dos pontos quânticos, e essa propriedade faz com que os pontos quânticos tenham um potencial importante em aplicações.
As propriedades ópticas e elétricas dos pontos quânticos mudam conforme eles mudam de tamanho e forma. Em termos gerais, pontos quânticos com um diâmetro de 5 a 6 nanômetros emitem radiação com comprimentos de onda maiores, como laranja ou vermelho, enquanto pontos quânticos com um diâmetro de 2 a 3 nanômetros emitem comprimentos de onda menores de luz, incluindo azul e verde. As cores exatas que eles aparecem dependem da composição química dos pontos quânticos. Essas propriedades fazem com que os pontos quânticos apresentem potenciais perspectivas de aplicação em muitos campos de alta tecnologia, incluindo transistores de elétron único, células solares, LEDs, lasers, fontes de fóton único, geração de segundo harmônico, computação quântica, pesquisa de células biológicas, microscopia e imagens médicas. , etc.
O potencial de aplicação abrangente dos pontos quânticos os torna uma ferramenta indispensável em muitas pesquisas científicas.
Pontos quânticos podem ser preparados usando uma variedade de técnicas, incluindo síntese coloidal, automontagem e estimulação elétrica externa. A síntese coloidal é um dos métodos mais comuns, que geralmente envolve o aquecimento da solução para induzir a decomposição dos materiais de partida, formando monômeros e gerando nanocristais. Temperatura e concentração de monômeros são fatores-chave que afetam o crescimento do cristal. Durante esse processo, os átomos ativados se reorganizam e cristalizam, afetando as propriedades do ponto quântico final.
Em aplicações práticas, os pontos quânticos geralmente requerem camadas adicionais para melhorar seu desempenho. Essas camadas adicionais podem reduzir o risco de recombinação não radiativa e, assim, aumentar o rendimento quântico de luz. Entre as várias heteroestruturas de pontos quânticos, as estruturas do tipo I incluem um núcleo semicondutor envolto em um segundo material, enquanto as estruturas do tipo II permitem a separação espacial de portadores de carga, melhorando assim o brilho.
Uma estrutura típica de pontos quânticos é o sistema CdSe/ZnS, uma combinação de materiais de núcleo e casca que permite que esses nanocristais emitam luz de forma eficiente.
Em relação à fabricação de pontos quânticos, além da síntese coloidal, a síntese de plasma também se tornou cada vez mais popular. Este método é particularmente adequado para a produção de pontos quânticos ligados covalentemente. Ao usar plasma não térmico, os cientistas podem controlar a forma, o tamanho e a composição dos pontos quânticos. O método de produção tradicional é a injeção dupla de alta temperatura, que pode dar suporte à produção em massa, mas manter a estabilidade e a qualidade durante o processo de produção é um grande desafio.
Com o avanço da tecnologia, muitas empresas começaram a estudar materiais de pontos quânticos livres de metais pesados, que não apenas atendem aos requisitos de proteção ambiental, mas também têm desempenho próximo aos pontos quânticos de CdSe tradicionais. O desenvolvimento da tecnologia de pontos quânticos é transformador para muitos setores, como tecnologia de exibição e imagens biomédicas.
Considerações ambientais e de saúde fazem do desenvolvimento de pontos quânticos livres de metais pesados uma prioridade máxima, incluindo a cooperação de microrganismos e a aplicação de diversos materiais.
Em resumo, os pontos quânticos, como os brilhantes "átomos artificiais", prometem fornecer novas possibilidades para a tecnologia futura. Eles não apenas melhoram nossa compreensão do mundo microscópico, mas também promovem a inovação de novas tecnologias. Isso significa que os pontos quânticos se tornarão uma tecnologia onipresente em um futuro próximo?
