Studying Quantum Dots using Atomic Force Microscopy

Author

Anand Dwivedi

Last Updated

6 years ago

License

LaTeX Project Public License 1.3c

Abstract

Quantum Dots are semiconductor nanocrystals whose diameter is in the range of 2-10 nm, corre- sponding to 10 to 50 atoms in diameter and a total of 100 to 100,000 atoms within the quantum dot volume. Many types of quantum dot emit light of specific frequencies if electricity or light is applied to them, and these frequencies can be precisely tuned by changing the dots’ size, shape and material, giving rise to many applica- tions. Because of their high tunable properties, quantum dots are of wide interest. It finds its applications in nanotechnology, medical imaging, transistors, solar cells, LED’s, diode lasers, quantum computing, etc. With this project, we intend to further understand and study the properties of quantum dots by using atomic force microscopy.

Tags

Project / Lab ReportTwo-column

Find More Articles

 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% file template. tex %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
% $Id: woc_2col.tex 158 2017-01-19 23:08:23Z foley $
% $URL: https://repository.cs.ru.is/svn/template/tvd/journal/matec-woc/woc_2col.tex $
% 
% This is a template file for Web of Conferences Journal
%
% Copy it to a new file with a new name and use it as the basis
% for your article
%
% This template has been updated to match the Word Template's contents
% by Joseph T. Foley < foley AT RU dot IS >
%
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% EDP Science %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%
%%%\documentclass[option]{webofc}
%%% "twocolumn" for typesetting an article in two columns format (default one column)
%
\documentclass[twocolumn]{webofc}
\usepackage[varg]{txfonts}   % Web of Conferences font
\usepackage{booktabs}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{array} %% needed for advanced table manipulation
%% Column types from http://tex.stackexchange.com/questions/54069/table-with-text-wrapping
\newcolumntype{L}[1]{>{\raggedright\let\newline\\\arraybackslash\hspace{0pt}}m{#1}}
\newcolumntype{C}[1]{>{\centering\let\newline\\\arraybackslash\hspace{0pt}}m{#1}}
\newcolumntype{R}[1]{>{\raggedleft\let\newline\\\arraybackslash\hspace{0pt}}m{#1}}
\graphicspath{{graphics/}{graphics/arch/}{Graphics/}{.
  /}} % Look in these folders for graphics
%
% Put here some packages required or/and some personnal commands
%
%
\begin{document}
%
\title{Studying Quantum Dots using Atomic Force Microscopy}
%
% subtitle is optionnal
%
%%%\subtitle{Do you have a subtitle?\\ If so, write it here}
\author{\firstname{Anand} \lastname{Dwivedi}$,$
        \firstname{\textbf{Advisor:}} \lastname{Dr. Kevin T. Riggs}
        % etc.
      }
\institute{Physics Department, Stetson University, Deland, FL 32723, USA}
\abstract{%
  Quantum Dots are semiconductor nanocrystals whose diameter is in the range of 2-10 nm, corresponding to 10 to 50 atoms in diameter and a total of 100 to 100,000 atoms within the quantum dot volume. Many types of quantum dot emit light of specific frequencies if electricity or light is applied to them, and these frequencies can be precisely tuned by changing the dots' size, shape and material, giving rise to many applications. Because of their high tunable properties, quantum dots are of wide interest.   It finds its applications in nanotechnology, medical imaging, transistors, solar cells, LED's, diode lasers, quantum computing, etc. With this project, we intend to further understand and study the properties of quantum dots by using atomic force microscopy. 
}
%
\maketitle
%
\section{Atomic Force Microscopy}\label{sec:page-layout}
Atomic Force Microscopy (AFM) is a kind of scanning probe microscopy that was designed to measure the local properties of a surface using a probe. The precursor to the AFM, the Scanning Tunneling Microscope (STM), was developed by Gerd Binning and Heinrich Rohrer in the early 1980's at IBM Research-Zurich, a development that earned them the Nobel Prize for Physics in 1986. Binning invented the atomic-force microscope in 1985 (Figure 1) to examine insulating surfaces. This microscope was made by gluing tiny shard of diamond onto one end of tiny strip of gold foil. A small hook was attached to the end of the tip that worked as the probe by pressing against the sample surface.
  1$}
\end{figure}
AFM's today use micro-machined Silicon cantilevers. AFM can be used on samples with minor preparation, over a large range of temperatures. High resolutions of the images produced by the AFM allow topographical imaging of samples such as DNA molecules. The AFM is also capable of techniques that provide information on other surface properties like friction, stiffness, elasticity, and so on.  
\subsection{Working Principles of AFM}
The basic principles of AFM consist of three parts: surface sensing, detection method, and imaging. For surface sensing, the AFM uses a cantilever with a very sharp tip to scan over a sample surface. As the tip approaches the surface, the close-range, attractive force between the surface and the tip cause the cantilever to deflect towards the surface. However, as the cantilever is brought even closer to the surface, such that the tip makes contact with it, increasingly repulsive force takes over and causes the cantilever to deflect away from the surface.  2$  
\subsection{Topography}
The AFM can use three different modes to map the surface: Contact mode, Non-contact mode, and Tapping mode. In contact mode, the AFM measures the repulsion between the tip of the probe and the sample. The force of the tip against the sample remains constant and the voltage required to keep the constant force indicates the height of the sample feature. Though this mode gives high resolution images of the sample surface and can be used to measure surface properties such as frictional forces, but it damages the sample as the tip of the probe remains in contact while mapping. In non-contact mode, the AFM measures the attractive forces between the tip of the probe and the sample. The Van der Waals forces between the tip and the sample are detected and this mode is used to analyze semiconductor surfaces. Though this mode gives lower image resolution than the contact mode, but no damage is caused to the sample as the tip doesn't the surface of the sample. In tapping mode, the tip of the AFM vertically oscillates on the sample surface at a frequency of 50,000  to 500,000 Hz.
  2}
\end{equation}
where $m_e$ is the effective mass of the electron, $m_h$ is the effective mass of the hole, $\mu$ is the reduced mass of the exciton system, and $R$ is the radius of the quantum dot.
A particle behaves as if it were free when the confining dimension is large compared to the wavelength of the particle. During this state, the band gap remains at its original energy due to a continuous energy state. If the quantum dot radius is on the same order of magnitude as the exciton Bohr radius (Equation 2), it is said to be in the "weak confinement regime". However, as the confining dimension decreases and the radius of the quantum dot becomes smaller than the exciting Bohr radius ("strong confinement regime"), the energy spectrum becomes discrete. As a result, the band gap becomes size-dependent. This ultimately results in a blue shift in light emission as the size of the particles decreases (Figure 2). The confinement effects dominate in the "strong confinement regime", and the optical and electronic properties can be easily controlled.
 
 
  7$}
\end{figure}
The discrete, quantized energy levels of quantum dots relate them more closely to atoms than bulk materials and have resulted in quantum dots being nicknamed 'artificial atoms'. Generally, as the size of the crystal decreases, the difference in energy between the highest valence band and the lowest conduction band increases. More energy is then needed to excite the dot, and concurrently, more energy is released when the crystal returns to its ground state, resulting in a color shift from red to blue in the emitted light. As a result of this phenomenon, quantum dots can emit any color of light from the same material simply by changing the dot size. Additionally, because of the high level of control possible over the size of the nanocrystals produced, quantum dots can be tuned during manufacturing to emit any color of light.  
\subsection{Types of Quantum Dots}
Quantum dots can be classified into three different types based on their composition and structure: core-type quantum dots, core-shell quantum dots, and alloyed quantum dots.    
\subsubsection{Core-Type Quantum Dots}
Quantum dots can be single component materials with uniform internal compositions, such as chalcogenides (selenides, sulfides or tellurides) of metals like cadmium, lead or zinc, example, CdTe or PbS. The photo- and electroluminescence properties of core-type nanocrystals can be fine-tuned by simply changing the crystallite size.  
\subsubsection{Core-Shell Quantum Dots}
The luminescent properties of quantum dots arise from recombination of electron-hole pairs (exciton decay) through radiative pathways. However, the exciton decay can also occur through nonradiative methods, reducing the fluorescence quantum yield. One of the methods used to improve efficiency and brightness of semiconductor nanocrystals is growing shells of another higher band gap semiconducting material around them. These quantum dots with small regions of one material embedded in another with a wider band gap are known as core-shell quantum dots (CSQDs) or core-shell semiconducting nanocrystals (CSSNCs).
  8$ This method has been widely explored as a way to adjust the photophysical properties of quantum dots.  
\subsubsection{Alloyed Quantum Dots}
The ability to tune optical and electronic properties by changing the crystallite size has become a hallmark of quantum dots. However, tuning the properties by changing the crystallite size could cause problems in many applications with size restrictions. Multicomponent quantum dots offer an alternative method to tune properties without changing crystallite size. Alloyed semiconductor quantum dots with both homogeneous and gradient internal structures allow tuning of the optical and electronic properties by merely changing the composition and internal structure without changing the crystallite size. For example, alloyed quantum dots of the compositions $CdS_x$$Se_{1-x}$/$ZnS$ of 6nm diameter emits light of different wavelengths by just changing the composition.
\begin{figure}[h!]
  \centering
  \includegraphics[width=\columnwidth]{qdlight.jpg}
  \caption{Photoluminescence of alloyed $CdS_x$$Se_{1-x}$/$ZnS$ quantum dots of 6nm diameter.  *}\right)
\end{equation}
The radius of the quantum dot affects the wavelength of the emitted light due to quantum confinement, and this equation describes the effect of changing the radius of the quantum dot on the wavelength $\lambda$ of the emitted light ($\lambda = \frac{hc}{\Delta E}$, where \textit{c} is the speed of light and $\Delta E$ is the emission energy). 
Quantum dots have wide and exciting fields of applications. Quantum dots have started to make their entrance in the commercial marketplace. In 2013, the first quantum dot TVs were introduced, and they continue to be sold to this day despite their rather high pricing. Quantum dots play a huge role in medical imaging, as they are more resistant to degradation than other optical imaging probes. They have a wide broadband absorption spectrum while maintaining a distinct, static emission wavelength. Their use in making solar cells leads to high levels of efficiency. Researchers at the University of Toronto have built the first colloidal quantum dot solar cells certified to convert sunlight into electricity with greater than 10\% power conversion efficiency. {11}$ under the supervision of Dr. Deborah B. Maxwell in the Chemistry Department at Stetson University. Jaime's project was titled "Fluorescent Gold Nanoparticles for Cellular Biomedical Applications" and had the purpose "to synthesize and characterize AuNP's with the goal of protein conjugation for potential application as a drug carrier system with cellular imaging capabilities." In this project, Jaime had used Physics Department's Atomic Force Microscope to study the solution of AuNP dispersed on a mica slide.  
In our project, we will spend the first few weeks of the Fall 2017 semester to getting familiar with the working of the AFM and studying the available AuNP solution. Next, we would spend time getting familiar with more in-depth knowledge about quantum dots and their properties. Then we can purchase commercially available samples of quantum dots to study their properties and try to find new areas of applications. So far, most of the knowledge about quantum dots and AFM has been self-learned and independent.  Some of the information about AFM also comes from other senior research projects that have used AFM. I have basic computer programming proficiency that comes from working on independent side-projects. I have done projects involving image analysis and machine learning and believe that these skills will prove helpful in this project. The future for the applications of quantum dots is massive and this project is yet another attempt to explore their properties and applications.\newline
\bibliography{References}
\begin{flushleft}
[1] Tabirsir Follow. "Atomic Force Microscopy". 22 Nov. 2010\newline
[2] \textit{Fundamental Theory of Atomic Force Microscopy}, Professor Zhong L. Wang's Nano Research Group, Georgia Institute of Technology. 14 February 2017\newline
[3] Ekimov, A.I., Efros, Al. L., Onushchenko, A. A. "Quantum Size Effect in Semiconductor Nanocrystals". \textit{Solid State Communications} 56.11 December \textbf{ 1985}: 921-924\newline
[4] Melville, J. "Optical Properties of Quantum Dots" \textit{Introduction to Materials Chemistry}.  UC Berkley College of Chemistry, 8 May 2015. Web. 5 May 2017\newline
[5] Reed, M.A.; Randall, J.N.; Aggarwal, R. J.; Matyi, R. J.; Moore, T, M.; Wetsel, A. E. “Observation
of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure”. \textit{Phys.
Rev. Lett.} \textbf{1988}, 60 (6): 535537\newline
[6] Murray, C.B., Norris, D.J.,Bawendi, M.G., "Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE(E$=$sulphur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites". \textit{J.Am.Chem.Soc.,} \textbf{1993}, \textit{115} $(19)$, 87068715\newline
[7]"Quantum Dots". \textit{Sigma-Aldrich}. 14 February, 2017\newline
[8] \textit{Radiative and Nonradiative Recombination}, Ying Wan, Southern Methodist University. 24 April, 2017\newline
[9] Davenport, Matt. "Quantum dot solar cells hit record efficiency". \textit{CEN RSS}. 24 April, 2017\newline
[10] Turnqusit, J. "Quantum Dots" University of Alaska Fairbanks, 4 July 2010. Web. 05 May, 2017\newline
[11] Fields, J. R., "Fluorescent Gold Nanoparticles for Cellular Biomedical Applications".  Department of Chemistry, Stetson University. 
	
\end{flushleft}
\end{document}

ТемаEmailURL проекта (Необязательный)Сообщение

Спасибо, Ваш запрос отправлен!

Квантовые точки

Квантовые точки — это полупроводниковые наночастицы, которые светятся определенным образом. цвет после освещения. Цвет свечения зависит от размер наночастицы. Когда квантовые точки освещаются УФ-света некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы вырваться из атомы. Эта способность позволяет им перемещаться вокруг наночастицы, создание зоны проводимости, в которой электроны могут свободно перемещаться материал и проводит электричество. Когда эти электроны возвращаются в внешняя орбита вокруг атома (валентная зона), как показано на на следующем рисунке они излучают свет. Цвет этого света зависит на разнице энергий между зоной проводимости и валентной группа.

Электроны в квантовой точке, генерирующие свет.

Чем меньше наночастица, тем выше разница энергий между валентной зоной и зоной проводимости, что приводит к более глубокому Синий цвет. Для более крупной наночастицы разница энергий между валентная зона и зона проводимости ниже, что смещает свечение в сторону красного.

В качестве квантовых точек можно использовать многие полупроводниковые вещества, такие как селенид кадмия, сульфид кадмия или арсенид индия. Наночастицы эти или любые другие полупроводниковые вещества обладают свойствами квантовая точка. Зазор между валентной зоной и зоной проводимости, который присутствует во всех полупроводниковых материалах, приводит к тому, что квантовые точки флуоресцировать.

Квантовые точки могут повысить эффективность солнечных батарей. В обычных солнечных элементах фотон света генерирует один электрон. Эксперименты как с квантовыми точками кремния, так и с квантовыми точками сульфида свинца может генерировать два электрона для одного фотона света. Поэтому, использование квантовых точек в солнечных элементах может значительно увеличить их эффективность производства электроэнергии.

Исследователи также работают над использованием квантовых точек в дисплеях. для приложений, начиная от вашего мобильного телефона до большого экрана телевизоры, потребляющие меньше энергии, чем современные дисплеи. К размещение квантовых точек разного размера в каждом пикселе экрана дисплея, красный, зеленый и синий цвета, используемые для создания полного спектра цвета будут доступны.

 

Выдержки из книги «Нанотехнологии для чайников» (2-е издание), издательства Wiley Publishing Нанотехнологии

 

Нанотехнологии сейчас

Медицина Наннотех

О нас Связаться с нами Ссылка на нас Рекламировать Условия эксплуатации политика конфиденциальности Карта сайта

Что такое технология квантовых точек?

Технологии отображения иногда могут сбивать с толку и пугать, особенно когда рынок переполнен модными словечками, такими как UHD, HDR, FPS и LCD. Чтобы правильно подобрать монитор, нужно понимать различные технологии и то, как они влияют на качество монитора. В последние годы еще одна технология зарекомендовала себя в мире дисплеев. И это технология квантовых точек.

Продолжайте читать, чтобы получить представление о том, что такое технология квантовых точек. Или вы можете взглянуть на мониторы ViewSonic ELITE с возможностями QLED.

Прежде чем мы углубимся в технологию квантовых точек, нам нужно понять, что такое светоизлучающий диод или светодиод. Это полупроводниковый прибор, излучающий свет при прохождении через него электрического тока. Светодиодный дисплей технически представляет собой модель ЖК-дисплея, в которой используются светодиоды для подсветки для проецирования изображения на экран, что приводит к более темному черному цвету и более насыщенным цветам. Однако светодиодные фонари не светятся белым естественным светом. На самом деле это синие светодиоды, покрытые желтым люминофором для получения белого цвета.

Но как это относится к мониторам с технологией квантовых точек?

Что такое технология квантовых точек?

Экраны

Quantum dot, или QLED (светодиод с квантовыми точками), по сути, представляют собой новый тип ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой, и в них используются крошечные фосфоресцирующие кристаллы, реагирующие на свет и электричество. «Наночастицы» размером менее 500 нанометров могут светиться в диапазоне цветов, который точно определяется количеством атомов внутри. И вместо того, чтобы использовать чисто белую подсветку, квантовые точки излучают красный или зеленый цвет при попадании на них синего света. Это означает, что вы увидите гораздо более насыщенные и точные цвета, чем на обычном светодиодном экране.

Как работает квантовая точка?

Каждый пиксель на мониторе излучает красный, зеленый или синий свет, а иногда и комбинацию всех трех цветов. Точность цвета каждого пикселя определяется длиной волны. Квантовые точки можно легко настроить на заданный размер, чтобы излучать различные длины волн для наилучшего воспроизведения цвета.

Квантовые точки могут быть помещены в трубки или, что чаще всего, внутри пленки. Затем лист вставляется между синим светодиодным блоком и фильтрами цветного жидкокристаллического дисплея (ЖК-дисплея). Когда синий светодиод светит на квантовые точки, они начинают светиться красным и зеленым. Сочетание всех трех цветов дает «самый чистый» белый свет. Белый свет предлагает цветным фильтрам более точный источник для эффективной и точной фильтрации трех цветов.

На приведенной выше диаграмме показано, как квантовые точки размещаются на QLED-дисплее. Синий светодиодный источник света излучает свет, который проходит через улучшающий слой пленки, создавая градации красного, зеленого и синего цветов. Свет разного цвета проходит через ЖК-панель и стекло цветного фильтра, а затем попадает на экран для отображения изображения.

Преимущества технологии квантовых точек

Добавленный слой квантовых точек дает вашему монитору целый ряд преимуществ.

Точный цвет и более высокая пиковая яркость

Поскольку квантовые точки можно настроить так, чтобы они излучали точное количество света, это означает, что получаемый цвет будет более точным. Нанокристаллы могут воспроизводить более широкий спектр цветов при максимальной яркости без потери насыщенности. Это позволяет четко отображать изображения даже в ярко освещенных помещениях. А яркость имеет решающее значение для расширенного динамического диапазона (HDR), чтобы все детали света и цвета на экране выглядели более реалистично.

Повышение энергоэффективности

Квантовым точкам для работы требуется лишь небольшое количество энергии, и этого можно достичь с помощью одного синего света. Фактически, они могут увеличить яркость на 30 процентов, потребляя на 30–50 процентов меньше энергии. Это снижение энергопотребления приводит к снижению затрат. В отличие от обычных ЖК-дисплеев, которые тратят энергию на комбинирование и балансировку разных цветов, экраны QLED излучают точные цвета для повышения энергоэффективности.

Увеличенный срок службы и низкий уровень выгорания

Поскольку QLED-дисплеи основаны на существующей ЖК-технологии, они выигрывают от более длительного срока службы, поскольку они используют современную и энергоэффективную подсветку. Технология квантовых точек также не изнашивается со временем, а это означает, что дисплеи QLED менее подвержены выгоранию. Выгорание — это когда часть изображения появляется на экране как «призрак» и не исчезает. Это происходит только тогда, когда каждый самосветящийся пиксель со временем тускнеет.

Различные размеры и более тонкие панели

Поскольку технология квантовых точек проще и дешевле в производстве, QLED-дисплеи могут быть изготовлены в большем диапазоне размеров и могут достигать 98 дюймов. Их также можно применять на больших, тонких и гибких ЖК-панелях, что упрощает транспортировку и установку QLED.

QLED против OLED: в чем разница?

Еще одна технология отображения, с которой вы, вероятно, сталкивались, — это OLED или органический светодиод. OLED состоит из органических соединений, которые светятся при подаче электричества. Этот эффект называется электролюминесценцией.

На приведенной ниже схеме показано, как работает OLED-дисплей. Органические эмиссионные слои расположены между отрицательно заряженным катодом и положительно заряженным анодным слоем. Электрический ток будет проходить через каждый слой от катода к цветному фильтру, создавая цветной свет.

В отличие от QLED, в котором используется подсветка, каждый пиксель OLED-дисплея является самоизлучающим. Органические материалы в OLED-экране обычно дороже в производстве и имеют более короткий срок хранения из-за деградации. Самоизлучающие пиксели OLED не обеспечивают такой же яркости, как QLED, но они могут проецировать самый черный черный цвет для более глубокого контраста. Когда дело доходит до выгорания экрана, OLED гораздо более восприимчивы к остаточному изображению. Однако важно отметить, что OLED-дисплеи также обеспечивают отличные углы обзора, высокое время отклика и почти идеальные цвета.

Подходят ли QLED-мониторы для игр?

Большинство дисплеев, использующих технологию квантовых точек, являются телевизорами. Но возможности QLED также можно перенести на монитор, что делает его идеальным для игр. Особенно в мире киберспорта геймеры предпочитают играть на игровых мониторах, которые могут обеспечить захватывающий опыт просмотра. Технология квантовых точек обеспечивает реалистичное изображение в играх с более яркими цветами и более резкими контрастами.

Если геймеру необходимо включить HDR-контент, QLED предлагают более темный черный цвет, более широкую цветовую гамму и более высокую яркость по сравнению с обычным экраном. А мониторы QLED часто обеспечивают лучшие технические характеристики, чем телевизоры, благодаря дополнительным функциям, таким как технология синхронизации и стабилизация уровня черного. Это означает, что геймеры могут играть в игры с интенсивной графикой и при этом видеть каждый элемент в захватывающих деталях.

Последние мысли

Очевидно, что дисплеи с технологией квантовых точек обеспечивают насыщенные цвета изображения и многие другие преимущества. С точки зрения геймера, экраны с квантовыми точками могут превратить стандартный опыт просмотра в кинематографическое удовольствие.

No related posts.