Silicon quantum dot
सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स फोटोल्यूमिनेसेंस उत्सर्जन मैक्सिमा के साथ धातु-मुक्त जैविक रूप से संगत क्वांटम डॉट्स हैं जो निकट-अवरक्त वर्णक्रमीय क्षेत्रों में दिखाई देते हैं। इन क्वांटम डॉट्स में उनके अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल से उत्पन्न होने वाले अद्वितीय गुण होते हैं, जिसमें लंबे समय तक रहने वाले चमकदार उत्तेजित-राज्य और बड़े स्टोक्स शिफ्ट शामिल हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स तैयार करने के लिए विभिन्न प्रकार के अनुपात, पायरोलिसिस और समाधान प्रोटोकॉल का उपयोग किया गया है, हालांकि यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि लुमिनेसेंट सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स तैयार करने के लिए कुछ समाधान-आधारित प्रोटोकॉल वास्तव में रिपोर्ट किए गए सिलिकॉन के बजाय कार्बन क्वांटम डॉट्स देते हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के अनूठे गुण संभावित अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला के लिए खुद को उधार देते हैंः जैविक इमेजिंग, लुमिनेसेंट सौर सांद्रक, प्रकाश उत्सर्जक डायोड, सेंसर और लिथियम-आयन बैटरी एनोड। सिलिकॉन ने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में व्यापक उपयोग पाया है; हालाँकि, थोक सी में सीमित ऑप्टिकल अनुप्रयोग हैं। यह काफी हद तक चालन बैंड और संयोजकता बैंड के बीच ऊर्ध्वाधर ऑप्टिकल संक्रमण के कारण है जो इसके अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल के कारण निषिद्ध है। 1990 में, लेह कैन्हम ने दिखाया कि सिलिकॉन वेफर्स विद्युत रासायनिक और रासायनिक विघटन के अधीन होने के बाद प्रकाश का उत्सर्जन कर सकते हैं। प्रकाश उत्सर्जन के लिए परिणामी छिद्रपूर्ण सिलिकॉन में क्वांटम कारावास प्रभाव को जिम्मेदार ठहराया गया था। इस प्रारंभिक कार्य ने सिलिकॉन नैनोपार्टिकल्स (क्वांटम डॉट्स), सिलिकॉन नैनोवायर, सिलिकॉन नैनोशेल, सिलिकॉन नैनोट्यूब, सिलिकॉन एयरोजेल और मेसोपोरस सिलिकॉन सहित कई अलग-अलग प्रकार के सिलिकॉन नैनोस्ट्रक्चर की नींव प्रदान की। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स की पहली रिपोर्ट 1990 के दशक की शुरुआत में सामने आई थी जिसमें फ्रीस्टैंडिंग ऑक्सीकृत सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स से चमक का प्रदर्शन किया गया था। उनके अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों की विशाल क्षमता को पहचानते हुए, कई शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स को संश्लेषित करने के तरीकों का पता लगाया और विकसित किया। एक बार जब इन सामग्रियों को विश्वसनीय रूप से तैयार किया जा सकता था, तो सतहों को निष्क्रिय करने के तरीके इन सामग्रियों के घोल को संसाधित करने योग्य बनाने और ऑक्सीकरण के प्रभाव को कम करने के लिए महत्वपूर्ण थे। इनमें से कई सतह निष्क्रियता विधियाँ उन विधियों से प्रेरणा लेती हैं जिन्हें पहली बार सिलिकॉन वेफर्स और झरझरा सिलिकॉन के लिए विकसित किया गया था। वर्तमान में, एप्लाइड क्वांटम मैटेरियल्स इंक. (कनाडा) द्वारा सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स का व्यावसायीकरण किया जा रहा है। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स (एस. आई. क्यू. डी.) के गुणों में आकार-ट्यून करने योग्य फोटोल्यूमिनेसेंस होता है जो पारंपरिक क्वांटम डॉट्स के लिए देखे गए समान होता है। लुमिनेसेंस को नियमित रूप से कण आकार को परिभाषित करके पूरे दृश्य और निकट-अवरक्त क्षेत्र में ट्यून किया जाता है। सामान्य तौर पर, दो अलग-अलग प्रकाश बैंड होते हैं जो सिलिकॉन क्वांटम डॉट गुणों पर हावी होते हैं। लंबे समय तक रहने वाली चमक उत्तेजित अवस्थाएँ (एस-बैंड, धीमी क्षय दर) आमतौर पर पीले/नारंगी से लेकर निकट-अवरक्त तक के आकार-निर्भर प्रकाश चमक के साथ जुड़ी होती हैं। अल्पकालिक चमकदार उत्तेजित अवस्थाएँ (एफ-बैंड, तेज क्षय दर) आमतौर पर आकार-स्वतंत्र नीली प्रकाश चमक से जुड़ी होती हैं और कुछ मामलों में नाइट्रोजन अशुद्धियों को इन प्रक्रियाओं में शामिल किया गया है। एस-बैंड को आम तौर पर सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के आकार-निर्भर बैंड अंतराल के लिए जिम्मेदार ठहराया जाता है। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के व्यास को लगभग 2 से 8 एनएम में बदलकर इस उत्सर्जन को पीले (600 एनएम) से अवरक्त (1000 से 1100 एनएम) में बदला जा सकता है। कुछ रिपोर्टों में आकार को कम करके तैयार किए गए हरे-उत्सर्जक सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स की तैयारी का भी वर्णन किया गया है, हालांकि, इन सामग्रियों को अलग करना चुनौतीपूर्ण है और आगे के विकास की आवश्यकता है। सिलिकॉन क्वांटम डॉट लुमिनेसेंस को उनके सतह रसायन विज्ञान को परिभाषित करके भी ट्यून किया जा सकता है। विभिन्न सतह प्रजातियों को जोड़ने से पूरे दृश्य स्पेक्ट्रम में सिलिकॉन क्वांटम डॉट लुमिनेसेंस की ट्यूनिंग की अनुमति मिलती है, जबकि सिलिकॉन क्वांटम डॉट आयाम अपरिवर्तित रहते हैं। यह सतह ट्यूनिंग आम तौर पर नैनोसेकंड जीवनकाल की उपस्थिति के साथ होती है जैसे कि एफ-बैंड लुमिनेसेंस के लिए देखा जाता है। सिलिकॉन क्वांटम डॉट फोटोल्यूमिनेसेंस क्वांटम पैदावार आम तौर पर 10 से 40 प्रतिशत की सीमा में होती है, जिसमें मुट्ठी भर सिंथेटिक प्रोटोकॉल 70 प्रतिशत से अधिक मूल्य प्रदान करते हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट एस-बैंड लुमिनेसेंस की लंबे समय तक चलने वाली उत्तेजित स्थिति जो पारंपरिक क्वांटम डॉट्स से फोटोमिशन को पूरी तरह से अलग करती है, अक्सर सिलिकॉन के अंतर्निहित अप्रत्यक्ष बैंड अंतराल के लिए जिम्मेदार मानी जाती है और खुद को अद्वितीय सामग्री अनुप्रयोगों के लिए उधार देती है। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स की जैविक संगतता के साथ लंबे समय तक रहने वाली उत्तेजित अवस्थाओं का संयोजन समय-निर्धारित जैविक इमेजिंग को सक्षम बनाता है। बड़ा स्टोक्स शिफ्ट उन्हें पराबैंगनी रेंज से फोटॉन को दृश्य या अवरक्त रेंज में बदलने की अनुमति देता है और विशेष रूप से लुमिनेसेंट सौर सांद्रक के डिजाइन और कार्यान्वयन में फायदेमंद है क्योंकि यह प्रकाश को परिवर्तित करते समय आत्म-अवशोषण को सीमित करता है। महत्वपूर्ण रूप से, एस. आई. क्यू. डी. जैविक रूप से संगत हैं और इनमें भारी धातुएं (जैसे, कैडमियम, इंडियम, सीसा) नहीं होती हैं। इन सामग्रियों की जैविक संगतता का इन विट्रो और इन विवो दोनों में सावधानीपूर्वक अध्ययन किया गया है। इन विट्रो अध्ययनों के दौरान, सी. आई. क्यू. डी. को हेला कोशिकाओं में 72 माइक्रोग्राम/एमएल और उपकला जैसी कोशिकाओं (एम. डी. ए.-एम. बी.-233) में 30 माइक्रोग्राम/एमएल तक की सांद्रता में सीमित विषाक्तता प्रदर्शित करने के लिए पाया गया है। इन विवो अध्ययनों में चूहों और बंदरों (रीसस मकाक) में सी. आई. क्यू. डी. की जैविक संगतता का आकलन किया गया है, जिसमें पाया गया है कि "सी. आई. क्यू. डी. के लिए स्पष्ट रूप से विषाक्तता के कोई संकेत नहीं हैं।" बैक्टीरिया में, सी. आई. क्यू. डी. को सी. डी. एस. ई. और सी. डी. एस. ई./जेड. एन. एस. क्वांटम डॉट्स दोनों की तुलना में कम विषाक्त दिखाया गया है। संश्लेषण विधियाँ सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स को विभिन्न विधियों का उपयोग करके संश्लेषित किया जा सकता है, जिसमें सिलिकॉन सबऑक्साइड का तापीय अनुपात (जैसे, हाइड्रोजन सिलसेक्विऑक्सेन, एक सिलसेक्विऑक्सेन व्युत्पन्न), और सिलेन (ओं) का लेजर और प्लाज्मा-प्रेरित अपघटन शामिल है। ये विधियाँ विश्वसनीय रूप से उच्च गुणवत्ता वाली एस. आई. क्यू. डी. प्रदान करती हैं जो आकार/बैंड अंतराल पर निर्भर (एस-बैंड) प्रकाश चमक प्रदर्शित करती हैं। लेजर एब्लेशन और बॉल-मिलिंग जैसे टॉप-डाउन तरीकों की भी सूचना मिली है। कई समाधान-आधारित विधियों को भी प्रस्तुत किया गया है जिनके परिणामस्वरूप अक्सर एफ-बैंड चमक प्रदर्शित करने वाली सामग्री होती है। हाल ही में, यह निर्धारित किया गया है कि इनमें से कुछ विधियाँ सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स प्रदान नहीं करती हैं, बल्कि चमकदार कार्बन क्वांटम डॉट्स प्रदान करती हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के आकार को परिभाषित करना आवश्यक है क्योंकि यह उनके ऑप्टिकल गुणों (विशेष रूप से एस-बैंड लुमिनेसेंस) को प्रभावित करता है। आमतौर पर, सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के आकार को सामग्री संश्लेषण को नियंत्रित करके परिभाषित किया जाता है। उदाहरण के लिए, सिलिकॉन क्वांटम डॉट आकार को सिलसेक्विओक्सेन के तापीय अनुपात के दौरान प्रतिक्रिया तापमान द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। इसी तरह, गैर-तापीय प्लाज्मा विधियों में प्लाज्मा निवास समय एक प्रमुख कारक है। वैकल्पिक रूप से, पोस्ट-सिंथेटिक प्रोटोकॉल, जैसे कि घनत्व प्रवणता अल्ट्रासेंट्रीफ्यूगेशन, का उपयोग पृथक्करण के माध्यम से आकार वितरण को कम करने के लिए किया जा सकता है। सतह निष्क्रियता और संशोधन एस. आई. क्यू. डी. तैयार करने के लिए उपयोग की जाने वाली संश्लेषण विधियों के परिणामस्वरूप अक्सर प्रतिक्रियाशील सतहें बनती हैं। हाइड्राइड-समाप्त सी. आई. क्यू. डी. को संश्लेषण के बाद संशोधन की आवश्यकता होती है क्योंकि वे परिवेशी परिस्थितियों में ऑक्सीकरण करते हैं और सीमित समाधान प्रक्रिया क्षमता प्रदर्शित करते हैं। इन सतहों को अक्सर कार्बनिक अणुओं (जैसे, एल्किल श्रृंखला) के साथ निष्क्रिय किया जाता है ताकि सी. आई. क्यू. डी. को ऑक्सीकरण के लिए प्रतिरोधी और सामान्य विलायकों के साथ संगत बनाया जा सके। इसके बाद इसे हाइड्रोसिलिलेशन जैसी विधियों के माध्यम से निष्क्रिय किया जा सकता है। अधिकांश विकसित सतह रसायन विज्ञान छिद्रपूर्ण सिलिकॉन और सिलिकॉन वेफर्स की सतह को संशोधित करने के लिए उपयोग की जाने वाली अच्छी तरह से स्थापित प्रक्रियाओं पर आधारित है। हाइड्रोसिलिलेशन, जिसमें सी-सी डबल या ट्रिपल बॉन्ड में एक सी-एच बॉन्ड का औपचारिक जोड़ शामिल है, आमतौर पर सिलिकॉन क्वांटम डॉट सतहों पर एल्कीन और एल्काइन को पेश करने के लिए उपयोग किया जाता है और उपयोगी टर्मिनल कार्यात्मक समूहों (जैसे, कार्बोक्जिलिक एसिड, एस्टर, सिलेन) तक पहुंच प्रदान करता है जो विलायक संगतता को परिभाषित कर सकते हैं और आगे की व्युत्पत्ति के लिए स्थान प्रदान कर सकते हैं। सतह समूहों और सिलिकॉन क्वांटम बिंदु के बीच सहसंयोजक बंधन मजबूत है और आसानी से विनिमय योग्य नहीं है-यह आमतौर पर सतह समूहों को अन्य प्रकार के क्वांटम बिंदुओं के लिए उपयोग किए जाने वाले आयनिक बंधन से बहुत अलग है। अन्य प्रकार के क्वांटम डॉट्स की तुलना में सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स का उपयोग प्रोटोटाइप अनुप्रयोगों में उनकी जैव-संगतता और सिलिकॉन की सर्वव्यापी प्रकृति के कारण किया गया है। इन मौलिक गुणों के अलावा, सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स (यानी, लंबे समय तक रहने वाली उत्तेजित अवस्थाएं, बड़े स्टोक्स शिफ्ट और ट्यूनेबल लुमिनेसेंस) के अद्वितीय ऑप्टिकल गुण कुछ अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद हो सकते हैं। इन (और अन्य) गुणों के कारण, एस. आई. क्यू. डी. के संभावित अनुप्रयोग विविध हैं, जो चिकित्सा, संवेदन, रक्षा और ऊर्जा से संबंधित क्षेत्रों में फैले हुए हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स की जैव-संगतता उनके लंबे चमकदार जीवनकाल और निकट-अवरक्त उत्सर्जन के साथ उन्हें जैविक प्रणालियों में प्रतिदीप्ति इमेजिंग के लिए अच्छी तरह से उपयुक्त बनाती है। इस वादे के कारण, सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स को इन विट्रो और इन विवो इमेजिंग दोनों के लिए लागू किया गया है। जबकि स्थिर-अवस्था इमेजिंग का पारंपरिक रूप से उपयोग किया जाता है, सिलिकॉन का गहरा लाभ समय-निर्धारित इमेजिंग के लिए खेल में आता है। टाइम-गेटेड इमेजिंग उत्तेजना और चमक का पता लगाने के बीच एक देरी को नियोजित करता है, यह छोटे जीवनकाल वाले फ्लोरोफोर को आराम करने की अनुमति देता है, इस प्रकार लंबे जीवनकाल वाले लोगों को उजागर करता है। इस प्रकार की प्रतिदीप्ति इमेजिंग जैविक इमेजिंग के लिए उपयोगी है क्योंकि कई ऊतक स्वतः प्रतिदीप्ति प्रदर्शित करते हैं जो इमेजिंग में हस्तक्षेप कर सकते हैं। इस तकनीक का उपयोग करके, पारंपरिक स्थिर-अवस्था इमेजिंग तकनीकों की तुलना में सी. आई. क्यू. डी. की इमेजिंग के लिए संकेत से पृष्ठभूमि अनुपात को 3 गुना तक बढ़ाया जा सकता है। सिलिकॉन नैनोमटेरियल्स के लिए इमेजिंग के अन्य तरीकों का भी पता लगाया गया है। उदाहरण के लिए, चूहों के मॉडल में 29Si एमआरआई के लिए बड़े सिलिकॉन नैनोकणों के सिलिकॉन कोर का उपयोग किया गया है। एक लिगेंड के साथ सतह को संशोधित करके जो 64सीयू का समन्वय कर सकता है, पीईटी इमेजिंग भी सुलभ है। इसके अलावा, पैरामैग्नेटिक केंद्रों के साथ डोपिंग टी1 और टी2 भारित 1एच एमआरआई के लिए आशाजनक है। लुमिनेसेंट सौर सांद्रक लुमिनेसेंट सौर सांद्रक प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के बड़े स्टोक्स शिफ्ट का लाभ उठाते हैं। बड़ा स्टोक्स शिफ्ट एस. आई. क्यू. डी. को यू. वी. प्रकाश को लाल/निकट अवरक्त प्रकाश में बदलने की अनुमति देता है जो प्रभावी रूप से सिलिकॉन सौर कोशिकाओं द्वारा अवशोषित किया जाता है, जबकि सीमित आत्म अवशोषण होता है। एल. एस. सी. को प्रकाश एकत्र करने और कांच के किनारों की ओर पुनः उत्सर्जित प्रकाश को तरंगित करने के लिए कांच का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जहां सौर कोशिकाएं प्रकाश एकत्र करती हैं और इसे बिजली में परिवर्तित करती हैं। एल. एस. सी. को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स को कांच के ऊपर एक पारदर्शी फिल्म के रूप में तैयार किया जा सकता है जो प्रकीर्णन के कारण होने वाले नुकसान को सीमित करता है, जबकि उन्हें इमारतों में खिड़कियों के प्रतिस्थापन के रूप में उपयुक्त बनाता है। इसे प्रभावी ढंग से करने के लिए, सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स की सतह को बहुलक संगतता में सुधार के लिए विभिन्न लिगेंड के साथ संशोधित किया जा सकता है। सौर वर्णक्रम के साथ बेहतर ढंग से मेल खाने के लिए एस. आई. क्यू. डी. के अवशोषण को दृश्य में धकेलना भी वांछनीय है, जिसे एक डाई जोड़कर पूरा किया जा सकता है। प्रकाश उत्सर्जक डायोड क्वांटम डॉट डिस्प्ले शुद्ध एकवर्णी प्रकाश का उत्पादन करने के लिए क्वांटम डॉट्स का उपयोग करते हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स पर आधारित एल. ई. डी. डिजाइन करने वाले अधिकांश कार्य सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस पर केंद्रित हैं। एस. आई. क्यू. डी. के आकार को बदलकर, एल. ई. डी. उत्सर्जन को गहरे लाल (680 एन. एम.) से नारंगी/पीले (625 एन. एम.) में ट्यून किया जा सकता है। आशाजनक प्रारंभिक परिणामों और परिणामी एल. ई. डी. की बाहरी क्वांटम दक्षता में सुधार की दिशा में प्रगति के बावजूद, व्यापक प्रकाश उत्सर्जन को दूर करने के लिए भविष्य में काम करने की आवश्यकता है। संवेदी प्रकाशरासायनिक संवेदक एनालाइट की उपस्थिति में फोटॉन उत्सर्जन को शांत करके सिलिकॉन क्वांटम डॉट फोटोल्यूमिनेसेंस का लाभ उठाते हैं। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स पर आधारित प्रकाश रासायनिक संवेदक का उपयोग कीटनाशकों, एंटीबायोटिक दवाओं, तंत्रिका एजेंटों, भारी धातुओं, इथेनॉल और पी. एच. सहित विभिन्न प्रकार के विश्लेषणों को समझने के लिए किया गया है, जो अक्सर शमन की विधि के रूप में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण या प्रतिदीप्ति अनुनाद ऊर्जा हस्तांतरण (एफ. आर. ई. टी.) को नियोजित करते हैं। नाइट्रोएरोमैटिक यौगिकों (यानी टी. एन. टी. और डी. एन. टी.) जैसी खतरनाक उच्च ऊर्जा सामग्री का पता इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण के माध्यम से नैनोग्राम स्तरों पर लगाया जा सकता है। इलेक्ट्रॉन स्थानान्तरण विधि में, अणु के एल. यू. एम. ओ. का ऊर्जा स्तर सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के संयोजकता और चालन बैंड के बीच होता है, जो एल. यू. एम. ओ. में एक उत्तेजित अवस्था इलेक्ट्रॉन के हस्तांतरण को सक्षम बनाता है, और इसलिए, इलेक्ट्रॉन छेद जोड़ी के विकिरणशील पुनर्संयोजन को रोकता है। यह तब भी काम करता है जब एनालाइट का HOMO SiQD के चालन बैंड के ठीक ऊपर होता है, जिससे इलेक्ट्रॉन एनालाइट से SiQD में स्थानांतरित हो जाता है। एस. आई. क्यू. डी. कोर के शमन के माध्यम से पता लगाने के वैकल्पिक तरीकों का भी पता लगाया गया है। एंजाइमों के साथ क्वांटम डॉट्स को कार्यात्मक बनाकर, चयापचय के गठन के कारण विभिन्न जैविक रूप से प्रासंगिक पदार्थों को महसूस किया जा सकता है। इस विधि का उपयोग करके, ग्लूकोज का पता हाइड्रोजन पेरोक्साइड के निर्माण के माध्यम से लगाया जा सकता है जो चमक को शांत करता है। एक अन्य विधि अनुपातिक संवेदन का उपयोग करती है, जहाँ एक फ्लोरोसेंट अणु का उपयोग नियंत्रण के रूप में किया जाता है और दो फ्लोरोसेंट लेबल की सापेक्ष तीव्रता की तुलना की जाती है। इस विधि का उपयोग ऑर्गेनोफॉस्फेट तंत्रिका एजेंटों का कम सांद्रता पर नेत्रहीन रूप से पता लगाने के लिए किया गया था, जिसे अकेले एस. आई. क्यू. डी. शमन के लिए देखा जा सकता है। कैडमियम-मुक्त क्वांटम डॉट संदर्भ अर्धचालक संरचनाएँ क्वांटम इलेक्ट्रॉनिक्स क्वांटम डॉट्स ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स नैनो पार्टिकल्स रचना सिलिकॉन फोटोनिक्स द्वारा भी देखें।