Titik kuantum

Quantum dots (QDs) merupakan partikel semikonduktor yang berukuran beberapa nanometer, memiliki sifat optik dan elektronik yang berbeda dari partikel yang lebih besar berhubungan dengan mekanika quantum. QDs merupakan topik utama dalam nanotechnologi. ketika QDs disinari oleh cahaya UV, sebuah elektron dalam QDs dapat tereksitasi ke keadaan energi yang lebih besar. dalam masalah semikonduktor quantum dots, proses tersebut bersesuaian dengan transisi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron yang tereksitasi dapat jatuh kembali ke pita valensi sambil melepaskan energi dengan mengimisikan cahaya. cahaya emisi ini (photoluminesensi) diilustrasikan pada gambar sebelah kanan. Warna emisi cahaya bergantung pada band gap antara pita konduksi dan pita valensi.

Dalam bahasa ilmu material, bahan semikonduktor berskala nano membatasi secara ketat baik elektron maupun hole. kadang kadang QDs disebut juga sebagai atom buatan, yang menekankan singularitasnya, memiliki ikatan, keadaan elektonik yang diskrit, seperti atom atau molekul yang terbentuk secara alami.^[1][2]

Quantum dots memiliki sifat pertengahan antara semikonduktor bulk dan atom atau molekul. sifat optoelektronik berubah sebagai fungsi dari ukuran dan bentuk dari QDs.^[3][4] QDs yang berdiameter lebih besar (5-6 nm) mengemisikan panjang gelombang yang lebih besar, dengan warna seperti jingga atau merah. QDs dengan ukuran yang lebih kecil (2-3 nm) mengemisikan panjang gelombang yang lebih pendek, menghasilkan warna seperti biru dan hijau. namun, warna tertentu bervariasi bergantung juga pada komposisi QDs tersebut.^[5]

aplikasi potensial dari quantum dots diataranya adalah single-electron transistors, solar cells, LEDs, lasers,^[6] single-photon sources,^[7][8][9] second-harmonic generation, quantum computing,^[10] and medical imaging.^[11] ukurannya yang kecil membolehkan untuk beberapa QDs untuk dijadikan suspensi dalam larutan, yang memungkinkannya untuk digunakan dalam inkjet printing dan spin coating.^[12]

Terdapat beberapa cara atau metode untuk memfabrikasi QDs. Diatara metode tersebut, diataranya adalah colloidal synthesis, self-assembly, dan electrical gating.

Sintesis plasma telah dikembangkan menjadi metode sintesis fase gas paling populer untuk menghasilkan QDs, khususunya dengan ikatan kovalen.^[13][14][15] Sebagai contoh, QDs silikon (Si) dan germanium (Ge) disintesis menggunakan plasma nonthermal. Ukuran, bentuk, permukaan dan komposisi dari QDs dapat dikontrol dalam plasma nonthermal.^[16][17] Mendoping yang terlihat cukup menantang untuk QDs dapat dilakukan dalam sintesis plasma .^[18][19][20] sintesis QDs dengan plasma dapat juga dalam bentuk serbuk. Hal ini dapat membuat QDs terdispersi dengan baik dalam pelarut organik lainnya^[21] ataupun air^[22] (QDs koloid).

Sususnan dengan keteraturan tinggi QDs dapat juga di self-assembly oleh teknik elektrokimia. Template dibuat dengan melakukan reaksi ionik pada permukaan elektrolit-logam yang dihasilkan dalam assembly secara spontan dari nanostruktur, termasuk QDs, pada logam yang selanjutnya digunakan sebagai mask untuk etching mesa nanostruktur tersebut pada substrat yang dipilih.

Produksi QDs berdasarkan pada sebuah proses yang disebut "high temperature dual injection" yang telah dikembangkan oleh banyak perusahaan untuk aplikasi komersial yang memerlukan jumlah yang banyak (100 kg sampai 1000 kg) QDs.Metode produksi yang dapat direproduksi dapat diaplikasikan untuk rentang yang luas dari ukuran dan bentuk QDs.

ikatan dalam QDs yang bebas dari cadmium, seperti QDs berbasis golongan III-V, lebih kovalen dibanding dengan material dalam II-VI , Oleh karena itu menjadi lebih sulit untuk memisahkan nukleasi dan penumbuhan nanopartikel dengan sintesis suhu tinggi dan injeksi. metode alternatif dari sintesis QDs, proses "molecular seeding", menyajikan cara reproducible untuk menghasilkan QDs kualitas tinggi dalam jumlah yang banyak. Prosesnya menggunakan molekul identik dari senyawa kluster molekular sebagai site nukleasi untuk penumbuhan nanopartikel, sehingga terhindar dari memerlukan tahap injeksi suhu tinggi. pertumbuhan partikel dijaga dengan penambahan secara periodik dari prekursor pada suhu sedang sampai ukuran partikel yang diinginkan tercapai .^[23] proses molecular seeding tidak dibatasi pada produksi QDs tanpa cadmium; sebagai contohnya, proses dapat digunakan untuk sintesis sejumlah kilogram QDs II-VI kualitas tinggi hanya dalam beberapa jam.

pendekatan lain untuk produksi masal dari QDs koloid dapat dilihat dalam transfer yang dikenal dengan istilah metode "hot-injection" untuk sintesis pada sistem tehnik flow yang berkelanjutan. variasi batch-to-batch timpbul dari keperluan selama metode yang disebutkan dapat diatasi dengan penggunaan komponen tekhnis untuk mencampurkan dan menumbuhkan pada penyesuaian transport dan suhu. untuk produksi nanopartikel yang berbasiskan CdSe, metode ini telah diteliti dan diatur untuk menghasilkan 1 kg per bulan. karena penggunaan komponen tekhnis membolehkan untuk pertukaran yang mudah dalam mencapai hasil dan ukuran yang maksimal, ini dapat lebih lanjut ditingkatkan sampai puluhan atau ratusan kilogram.^[24]

Pada Tahun 2011 konsorsium perusahaan A. S. dan Jerman melaporkan pencapaian produksi QDs dalam jumlah yang banyak dengan menggunakan metode "hight temperature dual injection" pada sistem yang mengalir.^[25]

Banyak daerah di dunia melarang penggunaan logam berat dalam banyak kebutuhan rumah tangga, yang berarti bahwa kebanyakan QDs berbasis cadmium tidak dapat digunakan untuk aplikasi rumah tangga.

untuk kelangsungannya secara komersial, QDs tanpa logam berat mulai dikembangkan dan menunjukan emisi yang terang dalam rentang spektrum cahaya tampak dan near infra merah dan memiliki sifat optik yang sama dengan QDs CdSe. Diantara sistem ini adalah InP/ZnS dan CuInS/ZnS.

Peptida diteliti sebagai material QDs yang potensial.^[26] karena peptida terbentuk secara alami dalam semua organisme, seperti QDs yang tidak beracun dan secara mudah terbiodegradasi.

Beberapa QDs mempunyai risiko terhadap kesehatan manusia dan lingkungan dibawah beberapa kondisi .^[27][28][29] Khususnya, penelitian pada toxicity QDs difokuskan pada cadmium yang mengandung partikel dan telah didemonstrasikan pada model hewan setelah dosis yang berhubungan secara fisiologis.^[29] studi in vitro, yang berdasarkan struktur sel, pada toxicity QDs menyatakan bahwa toxicitynya mungkin ditunkan dari bebrapa faktor, diantaranya karakteristik physicochemical (ukuran, bentuk, komposisi, komposisi, grup fungsional permukaan, muatan di permukaan) dan lingkungan. Menaksir potensi toxicitinya sangatlah komplek yang termasuk didalamnya beberapa faktor, diantaranya sifat seperti ukuran, muatan, konsentrasi, komposisi kimia, capping ligand, dan juga sifat oksidatif, mekanik dan stabilitas photolitiknya.^[27]

banyak peneliti memfokuskan pada mekanisme cytotoxicity QDs menggunakan model sel kultur. telah didemonstrasikan bahwa setelah disinari UV atau oksidasi oleh udara, QDs CdSe melepaskan ions cadmium bebas yang menyebabkan kematian sel.^[30] QDs Grup II-VI juga dilaporkan pembentukan formasi jenis oksigen reaktif setelah disinari cahaya, yang menyebabkan komponen sel rusak seperti protein, lipid, dan DNA.^[31] beberpa penelitian telah menunjukan bahwa penambahan shell ZnS mencegah proses spesies oksigen reaktif dalam QDs CdSe. Aspek lainnya dari toxicity QDs adalah proses ukurannya yang bergantung pathways intraselular yang memusatkan partikel tersebut dalam organel sel yang tidak dapat diakses oleh ion metal, yang memungkinkan hasil dalam pola cytotoxicity unik dibandingkan dengan ion logam pokoknya.^[32] Laporan lokalisasi QDs dalam inti sel menunjukan mode tambahan dari toxicity karena QDs mungkin mempengaruhi mutasi DNA, yang akan menyebarkan generasi mendatang dari sel yang menyebabkan penyakit.

Dalam semikonduktor, penyerapan cahaya secara umum menyebabkan terjadinya eksitasi elektron dari pita valensi ke vita konduksi, dan meninggalkan hole. Elektron dan hole dapat berikatan satu sama lain membentuk eksiton. ketika eksiton berekombinasi (elektron kembali ke keadaan dasarnya), energi eksiton dapat diemisikan sebagai cahaya. hal ini yang disebut fluorescence, dalam model sederhana, energi dari photon yang diemisikan dapat dipahami sebagai penjumlahan energi band gap antara tingkat energi tertinggi dan tingkat energi terendah, energi kurungan (confinement) dari hole dan elektron yang tereksitasi, dan energi ikat dari eksiton (pasangan elektron-hole)

Energi kurungan bergantung pada ukuran QDs, absorpsi dan emisi fluorescence dapat diatur dengan mengubah ukuran QDs pada saat mensintesis. Semakin besar ukuran QDs, maka semakin menuju warna merah (energi lebih rendah) absorpsinya dan spektrum fluorescencenya. kebalikannya, semakin kecil QDs, maka semakin biru (energi lebih tinggi) absorpsi dan spektrum fluorescencinya.Artikel terbaru dalam Nanotechnology dan jurnal lainnya telah memulai untuk menajukan bahwa bentuk dari QDs mungkin menjadi faktor dalam pewarnaan, tapi sekarang tidak banyak informasi yang tersedia. Selanjutnya, ditunjukan bahwa lifetime dari fluorescence ditentukan oleh ukuran QDs .^[33] QDs lebih besar memiliki tingkat energi lebih dekat yang mana pasangan elektron-hole dapat terperangkap. Oleh karena itu, pasangan elektron-hole dalam QDs yang besar memiliki hidup lebih lama yang menyebabkan QDs yang lebih besar untuk menunjukan lifetime yang lebih lama.

Untuk meningkatkan quantum yield fluorescence, QDs dapat dibuat dengan "shell" dari material semikonduktor dengan bandgap yang lebih besar di sekitarnya. Peningkatannya dilakukan dengan mengurangi akses elektron dan hole pada pathway rekombinasi permukaan nonradiatif dalam beberapa kasus. tapi juga melalui pengurangan rekombinasi Auger lainnya.

QDs merupakan material yang menjanjikan untuk aplikasi optoelektronik dikarenakan koefisien extinction nya yang tinggi.^[34] QDs bekerja seperti transistor elektron tungal (single electron transistor) dan menunjukan efek blokade Coulomb. QDs memiliki potensi juga untuk diaplikasikan dalam qubits untuk quantum information processing ^[35] dan sebagai elemen aktif untuk thermoelektrik.^[36][37][38]

Menyetel ukuran QDs sangat menarik untuk beberapa aplikasi potensial. sebagai contoh, QDS berukuran lebih besar memiliki spektrum shift menuju warna merah dibanding dengan QDs yang lebih kecil. sebaliknya, partikel yang lebih kecil membolehkannya untuk mengambil keuntungan dari efek kuantum.

Dalam analisis biologi modern, berbagai macam dari bahan organik digunakan. akan tetapi, sebagai kemajuan teknologi, flekibilitas yang lebih besar dalam bahan tersebut dibutuhkan.^[39]

spektrum absorpsi yang dapat diatur dan koefisien extinction yang tinggi dari QDs membuatnya menarik untuk tekhnologi light harvesting seperti photovoltaic. QDs mungkin dapat meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya dari sel photovoltaic silikon sekarang ini. berdasarkan bukti penelitan dari 2004,^[40] QDs dari lead selenide dapat menghasilkan lebih dari saru eksiton dari energi foton tinggi melalui proses multipikasi pembawa atau multiple exciton generation(MEG). Hal ini dibandingkan dengan baik terhadap sel photovoltaic sekarang yang dapat hanya mengatur satu eksiton per foton energi tinggi, dengan energi kinetik pembawa yang tinggi menghilankan energinya sebagai panas. Photovoltaic QDs secara teori akan lebih murah untuk dibuat, karena QDs dapat dibuat menggunakan reaksi kimia sederhana.

Self-assembled monolayer (SAMs) aromatik (contohnya 4-nitrobenzoic acid) dapat digunakan untuk meningkatkan susunan band pada elektrode untuk efisiensi yang lebih baik. tekhnik ini menyajikan efesiensi konfersi daya/ power conversion efficiency (PCE) 10,7 %.^[41] SAMs diposisikan antara pertemuan lapisan tipis QDs koloid ZnO-PbS untuk memodifikasi susunan band melalui momen dipol molekul SAM utama, dan mengatur band dapat dimodivikasi melalui densitas, dipol, dan orientasi dari moolekul SAM.

QDs koloid digunakan juga dalam sel surya hybrid inorgaik/organik . Sel surya ini menarik karena potensi fabrikasi rendah biaya dan efisiensi yang relatif tinggi.^[42] Penggabungan logam oksida, seperti material nano ZnO, TiO2, dan Nb2O5 dalam photovoltaic organik telah digunakan secara komersial menggunakan proses roll-to-roll.^[42] efisiensi konfersi daya sebesar 13,2% diklaim dalam sel surya Si nanowire/PEDOT:PSS.^[43]

Beberapa metode diajukan pada penggunaan QDs untuk meningkatkan desain ligt emitting diode (LED) yang ada, termasuk Quantum Dot Light Emitting Diode (QD-LED atau QLED) dan Quantum Dot White Light Emitting Diode (QD-WLED). Karena secara alami QDs menghasilkan cahaya monochromatic, QDs dapat lebih efisient dibanding sumber energi yang harus menggunakan filter warna.QD-LEDs dapat dibuat pada substrat silikon, yang membolehkannya untuk diintegrasikan pada rangkaian yang terintegrasi berbasis silikon standar atau sistem mikroelektromekanik..^[44].

Quantum dot photodetectors (QPDs) dapat dibuat melalui proses larutan,^[45] atau dari semikonduktor kristal tunggal konvensional.^[46] QDPs semikonduktor kristal tunggal konvensional dihindari dari penggabungan dengan elektronik organik fleksibel dikarenakan ketidakcocokan dari kondisi penumbuhnnya dengan proses yang dibutuhkan oleh semikonduktor organik. Di sisi lain, proses larutan QDPs dapat digabungkan dengan beberapa jenis substrat, dan juga post proses di atas rangkaian yang terintegrasi lainnya. seperti QDPs koloid memiliki potensi aplikasi dalam pengawasan, pengawas mesin, pemeriksaan industri, spectroscopy, dan fluorescent biomedical imaging.

QDs dapat berfungsi pulas sebagai photocatalyst untuk cahaya yang digunakan untuk konversi kimia dari air menjadi hidrogen sebagai cara untuk sumber energi dari matahari. dalam photocatalysis, pasangan elektron hole terbentuk dalam QDs dibawah eksitasi band gap yang menyebabkan raksi redoks di sekitar likuid. secara umum, aktivitas photocatalysis dari QDs berhubungan dengan ukuran partikel dan derajat kurungan kuantum (quantum confinement).^[47] Hal ini karena band gap menentukan energi kimia yang tersimpan dalam QDs pada keadaan tereksitasi. Rintangan pengunaan QDs dalam photocatalysis adalah adanya surfaktan pada permukaan QDs. surfaktan ini (atau ligan) bercampur dengan reactivitas kimia dari QDs oleh transfer massa yang melambat dan proses transfer elektron. Dan juga, QDs membuat logam chalcogenides secara kimia tidak stabil dibawah pengaruh kondisi oksidasi dan mengalami reaksi photo corrosion

QDs secara teori dideskripsikan sebagai kesatuan yang mirip titik, atau nol dimensi (0D). kebanyakan sifatnya bergantung pada dimensi, bentuk, dan komposisi. Secara umum QDs menunjukan sifat termodinamika yang berbeda dari material bulk nya. salah satu efeknya adalah penurunan titik lelenya. sifat oftik dari QDs logam speris dijelaskan dengan baik oleh teori Mie scattering.

Dalam semikonduktor kristalit yang ukurannya lebih kecil daripada dua kali ukuran jari-jari Bohr eksitonnya, menyebabkan eksitonnya akan tertekan, yang mengakibatkan kiungan kuantum (quantum confinement). Tingkat-tingkat energi dapat selanjutnya diperkirakan menggunakan model partikel di dalam kotak dimana energi keadaan bergantung pada panjang dari kotak tersebut. Dibandingkan dengan ukuran QDs terhadap jari-jari Bohr dari fungsi gelombang elektron dan hole , 3 regimes dapat didefinisikan. Regime confinement kuat didefinisikan ketika jari-jari QDs lebih kecil daripada jari-jari Bohr elektron dan hole, confinement lemah diberikan ketika jari-jari QDs lebih besar dari jari-jari eksiton bohrnya. Untuk semikonduktor dengan jari-jari elektron dan hole sangat berbeda, berlaku regime confinement intermediate, dimana jari-jari QDs lebih besar dari jari-jari Bohr salah satu muatan pembawa (secara khusus adlah hole), tapi tidak lebih besar dari muatan pembawa lainnya^[48]

Selanjutnya, penjumlahan dari energi energi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:

${\displaystyle {\begin{aligned}E_{\textrm {confinement}}&={\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2a^{2}}}\left({\frac {1}{m_{e}}}+{\frac {1}{m_{h}}}\right)={\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2\mu a^{2}}}\\E_{\textrm {exciton}}&=-{\frac {1}{\epsilon _{r}^{2}}}{\frac {\mu }{m_{e}}}R_{y}=-R_{y}^{*}\\E&=E_{\textrm {bandgap}}+E_{\textrm {confinement}}+E_{\textrm {exciton}}\\&=E_{\textrm {bandgap}}+{\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2\mu a^{2}}}-R_{y}^{*}\end{aligned}}}$