3 أنواع من النقاط الكمية
النقاط الكمية من النوع الأساسي
النقاط الكمومية من النوع الأساسي هي أبسط الأشكال. وهي تتكون من مادة واحدة موحدة من أشباه الموصلات. ويتراوح حجمها عادة من اثنين إلى عشرة نانومتر. ويعتمد انبعاث الضوء على حجم الجسيمات. تميل النقاط الأصغر حجماً إلى انبعاث الضوء على الطرف الأزرق، بينما تظهر النقاط الأكبر حجماً اللون الأحمر. من السهل إنتاج هذه النقاط في المختبر. وبنيتها تجعلها حاملات جيدة للإلكترونات. وغالباً ما تستخدم في أجهزة الإضاءة والتصوير البسيطة. تستخدم العديد من المشاريع البحثية النقاط من النوع الأساسي لأن سلوكها ثابت ويمكن التنبؤ به.
في الحالات الشائعة، تستخدم النقاط الكمية من النوع الأساسي مواد مثل سيلينيد الكادميوم. ويشتهر هذا النوع بامتلاكه طيفاً ضوئياً نظيفاً. كما أنها تؤدي أداءً جيدًا عند استخدامها في أجهزة العرض النموذجية. وقد أظهرت التجارب الواقعية أن هذه النقاط يمكن ضبطها لتبعث مجموعة من الألوان بمجرد تغيير حجمها أثناء الإنتاج. والنتيجة هي مادة تتمتع بدرجة عالية من التحكم في انبعاث الضوء. وتعتمد العديد من الأجهزة الإلكترونية على هذه الخصائص.
النقاط الكمومية ذات القشرة الأساسية
تحتوي النقاط الكمومية ذات القشرة الأساسية على طبقة إضافية واحدة على الأقل تغطي النواة. وغالباً ما تكون الطبقة المضافة مصنوعة من أشباه موصلات مختلفة. تعمل طبقة الغلاف على تحسين إخراج الضوء والاستقرار الكلي. فهي تجعل النقطة أقل عرضة للتكسر أو التلاشي بمرور الوقت. ويشبه تركيبها الفاكهة ذات القشرة الواقية.
على سبيل المثال، يمكن تغطية قلب سيلينيد الكادميوم بقشرة من كبريتيد الزنك. يوفر هذا المزيج عيوبًا أقل ولمسة نهائية أكثر إشراقًا. تحمي القشرة القلب من التأثيرات البيئية مثل الأكسدة. وفي الاستخدام العملي، تُستخدم هذه النقاط في الشاشات عالية الجودة، وأجهزة LED المتقدمة، وحتى في بعض تطبيقات الإضاءة حيث يكون إخراج الألوان النقية أمرًا حيويًا. يزيد هيكلها الأكثر تعقيدًا من المتانة والأداء. وقد أبلغ المستخدمون عن عمر أطول في شاشات العرض التي تستخدم النقاط الكمية ذات القشرة الأساسية.
النقاط الكمية المخلوطة
تمزج النقاط الكمومية المخلوطة بين أكثر من مادة شبه موصلة في القلب. تتيح تركيبتها المختلطة للمهندسين ضبط كل من اللون والخصائص الفيزيائية. ومن خلال ضبط نسبة السبائك، يمكن الحصول على مجموعة من ألوان الانبعاثات. يوفر هذا النوع درجة إضافية من الحرية في التصميم. يمكن أن تُظهر النقاط المخلوطة سلوكًا أكثر اتساقًا عبر التغيرات في درجة الحرارة. وعادةً ما توازن عملية الخلط بين سمات المواد الأصلية، مما يؤدي إلى خصائص انبعاث مستقرة.
قد تتضمن السبيكة الشائعة خليطًا من الكادميوم والزنك والسيلينيوم. ويستخدم الباحثون هذا المزيج لإنتاج نقاط ذات كمية أقل من المواد السامة مقارنة بالنقاط التقليدية القائمة على الكادميوم. تُستخدم النقاط الكمومية المخلوطة في الألواح الشمسية والتصوير الطبي الحيوي، حيث يلزم التحكم الدقيق في الضوء. وهي تتناسب بشكل جيد مع الأنظمة التي تتطلب دقة ضبط عالية. ويُعد المزيج المصمم هندسيًا مثاليًا للتطبيقات التي تحتاج إلى ألوان زاهية ومواد آمنة.
جدول بيانات المقارنة
فيما يلي جدول يوضح بعض الاختلافات الرئيسية بين الأنواع الثلاثة من النقاط الكمومية.
الميزة |
النقاط الكمية من النوع الأساسي |
النقاط الكمية ذات القشرة الأساسية |
النقاط الكمية المخلوطة |
البنية |
مادة واحدة |
مادة أساسية واحدة مع طبقة حماية واحدة أو أكثر |
مواد متعددة مختلطة في قلب واحد |
الحجم النموذجي |
2 - 10 نانومتر |
2 - 12 نانومتر (بما في ذلك الغلاف) |
2 - 10 نانومتر |
قابلية ضبط الانبعاث الضوئي |
عالية؛ تعتمد على حجم النواة |
عالية جدًا؛ محسنة بسبب حماية الغلاف |
عالية جدًا؛ الضبط من خلال تعديلات التركيب |
الثبات |
جيد في الظروف القياسية |
ممتاز؛ يقلل الغلاف من الأكسدة والتدهور |
جيد؛ يمكن للمزيج موازنة العوامل المفيدة |
المواد الشائعة المستخدمة |
سيلينيد الكادميوم، سيلينيد الكادميوم، فوسفيد الإنديوم |
قلب سيلينيد الكادميوم مع غلاف من كبريتيد الزنك |
سيلينيد الزنك الكادميوم، سيلينيد الزنك الكادميوم، فوسفيد الإنديوم الغاليوم |
التطبيقات النموذجية |
شاشات العرض الأساسية، التصوير في الأبحاث |
شاشات العرض المتقدمة، الإضاءة الخلفية LED، الليزر |
الخلايا الشمسية، التصوير الطبي الحيوي، شاشات العرض من الجيل التالي |
تطبيقات النقاط الكمية
للنقاط الكمية العديد من الاستخدامات في الأدوات اليومية والتقنية العالية. فهي موجودة في أجهزة التلفاز عالية الوضوح وشاشات الكمبيوتر. تستخدمها الأجهزة لإنتاج ألوان غنية ونابضة بالحياة. على سبيل المثال، يوفر التلفاز الذي يستخدم تقنية النقاط الكمومية دقة ألوان أفضل وكفاءة في استهلاك الطاقة مقارنة بشاشات LCD القديمة. وقد دفع ذلك العديد من شركات الإلكترونيات إلى تضمينها في منتجاتها الجديدة.
1- في الإضاءة، تساعد النقاط الكمومية في إنتاج مصابيح LED الموفرة للطاقة. وقدرتها على إصدار ضوء قوي ومستقر يجعلها خيارًا شائعًا. تتميز العديد من منتجات LED الآن بعمر افتراضي أطول باستخدام هذه النقاط.
2- في المجالات الطبية الحيوية، تساعد النقاط الكمومية في تصوير الجزيئات وتتبعها. ويمكنها وسم الخلايا بضوء ساطع يسهل اكتشافه. وقد استخدمتها الدراسات البحثية الطبية لتتبع مسارات الأمراض. وهذا يؤدي إلى تحسين طرق التشخيص وتخطيط العلاج.
3- تستفيد الألواح الشمسية أيضًا من النقاط الكمية. تشتمل تصميمات الخلايا الشمسية الجديدة على طبقات من النقاط الكمومية للمساعدة في امتصاص طاقة الشمس بكفاءة أكبر. وقد أظهرت بعض الدراسات أن استخدام النقاط الكمومية يمكن أن يزيد الكفاءة بنسبة تصل إلى 20% عن الألواح التقليدية. هذه التحسينات مهمة عند بناء مزارع الطاقة الشمسية أو أجهزة الشحن الشمسية المحمولة.
4- ومن الأمثلة المفيدة الأخرى استخدام النقاط الكمومية في أجهزة الاستشعار وفي أنواع جديدة من الليزر. فصغر حجمها الصغير وخصائصها الضوئية القابلة للضبط مثالية لمهام الاستشعار التي يتم التحكم فيها بدقة. وفي أجهزة الليزر، توفر أشعة ضوء ساطعة ومستقرة يمكن ضبطها لمجموعة واسعة من الاستخدامات في كل من الصناعة والأبحاث.
الخاتمة
لقد ألقينا نظرة على ثلاثة أنواع من النقاط الكمومية وخصائصها الفريدة. النقاط الكمومية من النوع الأساسي نقية وبسيطة. تضيف النقاط الكمومية ذات القشرة الأساسية طبقة واقية تعزز الأداء. تمزج النقاط الكمومية المخلوطة بين العناصر لتقدم مخرجات ضوئية قابلة للضبط وآمنة. وتمتد استخداماتها من شاشات العرض إلى الخلايا الشمسية والتصوير الطبي. إن مستقبل النقاط الكمومية مشرق ومليء بالفوائد العملية. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).
الأسئلة المتداولة
س: مم تُصنع النقاط الكمية؟
س: تُصنع النقاط الكمية عادةً من مواد شبه موصلة مثل سيلينيد الكادميوم أو كبريتيد الزنك أو توليفاتهما.
س: هل يمكن استخدام النقاط الكمية في الخلايا الشمسية؟
س: نعم، تُستخدم في الألواح الشمسية لالتقاط أشعة الشمس وتحسين كفاءة تحويل الطاقة.
و: هل تدوم النقاط الكمية ذات القشرة الأساسية لفترة أطول من النقاط من النوع الأساسي؟
ج: نعم، يحمي الغلاف النواة من التأثيرات البيئية ويحسن من متانتها بشكل عام.