Un punto cuántico (en inglés, quantum dot o QD) generalmente es una nanoestructurasemiconductora que confina el movimiento en las tres direcciones espaciales de los electrones de la banda de conducción y los huecos de la banda de valencia o excitones (pares de enlaces de electrones de la banda de conducción y huecos de la banda de valencia). Fue descubierto por primera vez en una matriz de vidrio y en soluciones coloidales[1] a partir de 1981 por los científicos rusos Aleksey Ekimov y Alexander Efros[2][3][4][5] y luego complementado por Louis E. Brus. El término «pozo cuántico» fue acuñado en 1988.[6]
Puntos cuánticos con diámetros variando en pasos de 10 nm que están siendo producidos por PlasmaChem en una kg scala.
En el mundo macroscópico, los puntos cuánticos pueden tener el aspecto de una simple pastilla plana, o estar disueltos en un líquido. Nadie sospecharía que esa sustancia ha sido elaborada en el laboratorio partiendo de unos pocos átomos, con técnicas que manipulan la materia a escalas de nanómetros. A esas dimensiones el material se convierte en una matriz sobre la que han crecido estructuras, como pirámides o montañas, formadas por unos pocos cientos o miles de átomos. Esas estructuras son los puntos cuánticos.
El confinamiento se puede deber a los potenciales electrostáticos (generados por electrodos externos, dopaje, tensión, impurezas, etc.), a la presencia de una interfaz entre diferentes materiales semiconductores (ej. en sistemas de nanocristales de núcleo-coraza), a la presencia de la superficie del semiconductor (ej. nanocristal semiconductor), o a una combinación de estos.
Un punto cuántico tiene un espectro discreto de energía cuantizada.[7] Las funciones de onda correspondientes están espacialmente localizadas dentro del punto cuántico, pero se extienden sobre muchos períodos de la red cristalina. Un punto cuántico contiene un número reducido, y finito, de electrones de la banda de conducción (del orden de 1 a 100), huecos en la banda de valencia, o de excitones, es decir, un número finito de cargas eléctricas elementales.
Una de las propiedades más interesantes de los puntos cuánticos es que, al ser iluminados, re-emiten luz en una longitud de onda muy específica y que depende del tamaño de este. Este fenómeno se conoce como luminiscencia. Cuanto más pequeños sean los puntos, menor es la longitud de onda y más acusadas las propiedades cuánticas de la luz que emiten. Estas propiedades de emisión son emergente de un proceso físico denominado confinamiento cuántico. Cuando los electrones son confinados a volúmenes muy pequeños, comparables con su longitud de onda de De Broglie, se comportan como una partícula cuántica en un pozo de potencial. La partícula entonces solo puede estar en determinados estados electrones de energía característica. Cuando los electrones absorben energía puede transitar a niveles electrónicos de mayor energía. Al des-excitarse a su nivel electrónico inicial, el exceso de energía es emitido en forma de fotones.[8] [9][10] Existen también puntos cuánticos metálicos, los cuales son estructuras metálicas muy pequeñas del orden de 10 a 300 átomos y en los cuales las propiedades de confinamiento cuántico dan lugar a fenómenos de excitación y emisión similar a los observados en puntos cuánticos semiconductores.[11]
Hay una gran variedad de implementaciones de puntos cuánticos, partiendo de compuestos químicos y técnicas físicas muy diferentes.[12]
Aplicaciones
Optoelectrónica
Con los puntos cuánticos de materiales semiconductores, como arseniuro de indio y fosfuro de indio, se fabrican diodosláser emisores de luz más eficientes que los usados hoy en lectores de CD, de códigos de barras y demás. Así que se espera que acaben sustituyéndolos a corto o medio plazo.
Biomedicina
En este caso, los puntos cuánticos no están integrados en una matriz, sino que son cristales independientes, pero su fundamento y sus propiedades físicas son las mismas. Los puntos cuánticos emiten luz brillante y muy estable. Con ellos se obtienen imágenes de mucho contraste usando láseres menos potentes, y no existe el temor de que se apaguen. Además, la longitud de onda tan específica a la que brillan evita las superposiciones, y permite teñir a la vez muchas más estructuras que con los métodos de tinción tradicionales.
Paneles solares experimentales
La tercera generación de células fotovoltaicas usa entre otras posibilidades las superficies con puntos cuánticos. El rendimiento es mayor que las células de primera y segunda generación y su fabricación es más barata. Los puntos cuánticos son de manufacturación barata, y pueden hacer su trabajo en combinación con materiales como conductores polímeros, que también son de producción barata. Un punto polímero cuántico funcionando podría colocar, eventualmente, a la electricidad solar en una posición económica igual a la electricidad del carbón. Si esto pudiera hacerse, sería revolucionario. Una célula comercial de punto cuántico solar está aún años de distancia, asumiendo que sea posible. Pero si lo es, ayudaría a superar el presente de combustibles fósiles.
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Ver, por ejemplo, puntos cuánticos dobles a partir de nanotubos en Ingerslev Jorgensen, H.; Grove-Rasmussen, K.; Wang, K.Y.; Blackburn, A.M.; Flensberg, K.; Lindelof, P.E.; Williams, D.A. (2008). «Singlet-triplet physics and shell filling in carbon nanotube double quantu dots». Nature physics4. 536-539.
Enlaces externos
Quantum dots device counts single electrons - New Scientist
Quantum dot on arxiv.org
Quantum Dots Research and Technical Data
National Nanotechnologies Laboratories of CNR-INFM el 13 de septiembre de 2008 en Wayback Machine.
MathWorks: 3D Schrodinger solver
Github: 3D Schrodinger solver
Datos:Q1133068
Multimedia:Quantum dots
Agosto 10, 2021
punto, cuántico, punto, cuántico, inglés, quantum, generalmente, nanoestructura, semiconductora, confina, movimiento, tres, direcciones, espaciales, electrones, banda, conducción, huecos, banda, valencia, excitones, pares, enlaces, electrones, banda, conducció. Un punto cuantico en ingles quantum dot o QD generalmente es una nanoestructura semiconductora que confina el movimiento en las tres direcciones espaciales de los electrones de la banda de conduccion y los huecos de la banda de valencia o excitones pares de enlaces de electrones de la banda de conduccion y huecos de la banda de valencia Fue descubierto por primera vez en una matriz de vidrio y en soluciones coloidales 1 a partir de 1981 por los cientificos rusos Aleksey Ekimov y Alexander Efros 2 3 4 5 y luego complementado por Louis E Brus El termino pozo cuantico fue acunado en 1988 6 Puntos cuanticos con diametros variando en pasos de 10 nm que estan siendo producidos por PlasmaChem en una kg scala En el mundo macroscopico los puntos cuanticos pueden tener el aspecto de una simple pastilla plana o estar disueltos en un liquido Nadie sospecharia que esa sustancia ha sido elaborada en el laboratorio partiendo de unos pocos atomos con tecnicas que manipulan la materia a escalas de nanometros A esas dimensiones el material se convierte en una matriz sobre la que han crecido estructuras como piramides o montanas formadas por unos pocos cientos o miles de atomos Esas estructuras son los puntos cuanticos El confinamiento se puede deber a los potenciales electrostaticos generados por electrodos externos dopaje tension impurezas etc a la presencia de una interfaz entre diferentes materiales semiconductores ej en sistemas de nanocristales de nucleo coraza a la presencia de la superficie del semiconductor ej nanocristal semiconductor o a una combinacion de estos Un punto cuantico tiene un espectro discreto de energia cuantizada 7 Las funciones de onda correspondientes estan espacialmente localizadas dentro del punto cuantico pero se extienden sobre muchos periodos de la red cristalina Un punto cuantico contiene un numero reducido y finito de electrones de la banda de conduccion del orden de 1 a 100 huecos en la banda de valencia o de excitones es decir un numero finito de cargas electricas elementales Una de las propiedades mas interesantes de los puntos cuanticos es que al ser iluminados re emiten luz en una longitud de onda muy especifica y que depende del tamano de este Este fenomeno se conoce como luminiscencia Cuanto mas pequenos sean los puntos menor es la longitud de onda y mas acusadas las propiedades cuanticas de la luz que emiten Estas propiedades de emision son emergente de un proceso fisico denominado confinamiento cuantico Cuando los electrones son confinados a volumenes muy pequenos comparables con su longitud de onda de De Broglie se comportan como una particula cuantica en un pozo de potencial La particula entonces solo puede estar en determinados estados electrones de energia caracteristica Cuando los electrones absorben energia puede transitar a niveles electronicos de mayor energia Al des excitarse a su nivel electronico inicial el exceso de energia es emitido en forma de fotones 8 9 10 Existen tambien puntos cuanticos metalicos los cuales son estructuras metalicas muy pequenas del orden de 10 a 300 atomos y en los cuales las propiedades de confinamiento cuantico dan lugar a fenomenos de excitacion y emision similar a los observados en puntos cuanticos semiconductores 11 Hay una gran variedad de implementaciones de puntos cuanticos partiendo de compuestos quimicos y tecnicas fisicas muy diferentes 12 Indice 1 Aplicaciones 2 Vease tambien 3 Notas y referencias 4 Enlaces externosAplicaciones EditarOptoelectronica Con los puntos cuanticos de materiales semiconductores como arseniuro de indio y fosfuro de indio se fabrican diodos laser emisores de luz mas eficientes que los usados hoy en lectores de CD de codigos de barras y demas Asi que se espera que acaben sustituyendolos a corto o medio plazo Biomedicina En este caso los puntos cuanticos no estan integrados en una matriz sino que son cristales independientes pero su fundamento y sus propiedades fisicas son las mismas Los puntos cuanticos emiten luz brillante y muy estable Con ellos se obtienen imagenes de mucho contraste usando laseres menos potentes y no existe el temor de que se apaguen Ademas la longitud de onda tan especifica a la que brillan evita las superposiciones y permite tenir a la vez muchas mas estructuras que con los metodos de tincion tradicionales Paneles solares experimentales La tercera generacion de celulas fotovoltaicas usa entre otras posibilidades las superficies con puntos cuanticos El rendimiento es mayor que las celulas de primera y segunda generacion y su fabricacion es mas barata Los puntos cuanticos son de manufacturacion barata y pueden hacer su trabajo en combinacion con materiales como conductores polimeros que tambien son de produccion barata Un punto polimero cuantico funcionando podria colocar eventualmente a la electricidad solar en una posicion economica igual a la electricidad del carbon Si esto pudiera hacerse seria revolucionario Una celula comercial de punto cuantico solar esta aun anos de distancia asumiendo que sea posible Pero si lo es ayudaria a superar el presente de combustibles fosiles Nuevos sistemas de iluminacion Con un rendimiento mas eficiente Vease tambien EditarHilo cuantico Pozo cuantico Contacto de punto cuantico Celula solar de nanocristal Materia programable Laser de punto cuanticoNotas y referencias Editar Kolobkova E V Nikonorov N V and Aseev V A 2012 Optical Technologies Silver Nanoclusters Influence on Formation of Quantum Dots in Fluorine Phosphate Glasses Scientific and Technical Journal of Information Technologies Mechanics and Optics 5 12 Ekimov AI Onushenko AA 1981 Kvantovyj razmernyj effekt v trehmernyh mikrokristallah poluprovodnikov Pisma v ZhETF 34 363 366 Ekimov AI Onushchenko AA 1982 Quantum size effect in the optical spectra of semiconductor micro crystals Soviet Physics Semiconductors USSR 16 7 775 778 Ekimov AI Efros AL Onushchenko AA 1985 Quantum size effect in semiconductor microcrystals Solid State Communications 56 11 921 924 Bibcode 1985SSCom 56 921E doi 10 1016 S0038 1098 85 80025 9 Nanotechnology Timeline National Nanotechnology Initiative Reed MA Randall JN Aggarwal RJ Matyi RJ Moore TM Wetsel AE 1988 Observation of discrete electronic states in a zero dimensional semiconductor nanostructure Phys Rev Lett 60 6 535 537 Bibcode 1988PhRvL 60 535R PMID 10038575 doi 10 1103 PhysRevLett 60 535 Caicedo Ortiz H E Perez Merchancano S T Santiago Cortes E 1 de enero de 2015 Modelando un punto cuantico una aproximacion pedagogica Revista Mexicana de Fisica E 61 1 Jan Jun 35 0 ISSN 2683 2216 Bornacelli J Torres Torres C Can Uc B Rangel Rojo R Silva Pereyra H G Labrada Delgado G J Rodriguez Fernandez L Cheang Wong J C et al 2019 11 Coupling effects and ultrafast third order nonlinear optical behavior in ion implanted silicon quantum dots and platinum nanoclusters Optical Materials en ingles 97 109388 doi 10 1016 j optmat 2019 109388 Consultado el 20 de enero de 2020 Se sugiere usar numero autores ayuda Triberis Georgios P 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