بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ساخت نقطههاي کوانتومی PbS به روش شیمیایی در اندازهها و توزیع شعاعی دلخواه گزارش شده است. در این گزارش اثر غلظت پوشش دهنده - مهار کننده - پلی وینیل الکل روي اندازه نقطههاي کوانتومی مذکور و همینطور بستگی اندازهاي این نانوذرات نیمرسانا به جنس پوشش دهنده به کار گرفته شده، بررسی و ملاحظه شد استفاده از پلیوینیل الکل ذرات باندازه کوچکتر دست یافتنیتر است نسبت به وقتی که پوشش دهنده از نوع مرکبتواتانول باشد. همچنین نوعی تقویت کننده فیبر نوري با پهناي باند وسیع که محیط فعال آن را نقطههاي کوانتومی PbS تشکیل میدهند نیز ارائه شده است.
مقدمه
با پیشرفت روز افزونکوانتساخت نقطههاي ومی نیمرسانا با اندازههاي دلخواه دیگر بشر محدودیت انتخاب مواد با انرژي تابشی و جذبی ثابت را در طبیعت نخواهد داشت، زیرا که با این اتمهاي مصنوعی یا ساخت دست بشر1، میتواند بر اساس نیاز خود نانوذره نیمرسانا شبه صفر بعدي که الکترونها و حفرهها از هر سه بعد فضا محدود شده اندازهاش را طوري طراحی کند که قادر باشد آن را وارد سازد چه طول موجی را جذب یا نشر کند، به عبارتی طیف جذبی و نشري ماده را کنترل کند .[1] استفاده از انواع پلیمرها و ترکیبات آلی و غیرآلی - نظیر شیشهها - با تنوع و ترکیبات گوناگون موجب شده هر چه بیشتر بتوان پایداري و کاربرد نقطههاي کوانتومی PbS، PbSe را افزون کرد. تحقیق و پیشرفت در این زمینهها همچنان ادامه دارد.
استفاده از روش شیمیایی در پروسه ساخت و کنترل درجه حرارت، غلظت محلولها و به کارگیري پلیمرهاي پوشش دهنده مناسب و همچنین در روش فوتوشیمیایی به کار گرفتن پرتوگاما یا ماوراء بنفش دباز مناسب و همچنین در روش سونوشیمیایی که از امواج اولتراسونیک - مافوق صوت - نیز استفاده میشود. هدف از به روشکارگیري همهي این ها این است که از بزرگ شدن اندازه نانو کریستالها جلوگیري شودکوانتوبتوان نقطههاي ومی با اندازه دلخواه، اعم از تک اندازه بودن - یکنواخت از نظر توزیع اندازهاي - و پایدار ماندن داشت.[1-4] در این مقاله سعی شده اثر جنس پوشش دهنده نقاط کوانتومی PbS و تأثیر سانتریفیوژ کردن محلول حاوي نقطههاي کوانتومی PbS بر اندازه این نانوکریستالهاي مورد استفاده در تقویت کننده فیبر نوري آغشته به آنها بررسی شود.
فیبرنوري آغشته به نقطههاي کوانتومی
از آنجا که فیبر نوري مانند هر محیط دیگر موجب اتلاف یا افت اطلاعات که به صورت امواج الکترومغناطیسی میباشند، میشود. آلائیده کردن تکهاي از فیبر به عناصر خاکی کمیاب یا ترکیبات آنها میتوانند فیبر را به یک محیط فعال تبدیل کنند. نمونههایی از این مواد عبارتند از اربیوم - Er - 1 ، نئودیمیوم - Nd - 2، ایتربیوم - Yb - 3 و ساماریوم - Sm - 4 و تولیوم - Tm - 5 که هر کدام ناحیه خاصی از طیف نوري را پوشش میدهند. از میان آنها اربیوم در محدوده طول موج 1/55 میکرومتر که طول موج مخابراتی است و فیبر سیلیکایی در این طول موج،تقریباً جذب ندارد، میتواند عمل تقویت کنندگی نور را به میزبانی شیشه انجام دهد. این تقویت کننده به - Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA معروف است. و این تقویت کننده داراي پهناي باند محدود 32 نانومتر میباشد.
تقویت کننده دیگر، تقویت کننده رامان است که پهناي باند وسیعتري را پوشش میدهد ولی نیاز به پمپپیچیدگیباتوان بالا و همینطور خاص خود می باشد 6]، ،5 ،.[1 4 با توجه به افزایش روز افزون حجم اطلاعات و ارتباطات، این تقویت کنندهها پاسخگوي نیاز جهانی به سرعت و افزایش ظرفیت انتقال فیبر نوري را نخواهند داشت، لذا از آنجا که براي نانوکریستالهاي نیمرسانا حبس کوانتومی - Quantum Confinement - موجب میشود ترازهاي انرژي گسسته شوند.
با به کارگیري معادله شرودینگر و اعمال شرایط مرزي، انرژيهاي مجاز متناسب با عکس مجذور شعاع نانوکریستال و بستگی گاف انرژي - گاف نواري - به اندازه آن که در ذیل و شکل - 1 - نشان داده شده است .[7]که در آن E gQD گافو انرژي نقطهي کوانتومی E g گاف انرژي حالت تودهاي - حجیم - میباشد. و Ee و E h انرژي حفره و الکترون و mh و me جرم موثر آنها و جرم کاهیده حفره و الکترون و a شعاع نقطهي کوانتومی، همانطور که مشاهده میشود انرژيرابطه اخیر نشان میدهد گاف وابسته به اندازه ذره نانویی است که با کاهش اندازه نیمه رسانا شیفت انرژي به سمت طول 1موجهاي با انرژي بالاتر که متناسب با a2 میباشد، میل میکند. ضمناً نانوکریستال PbS در حالت تودهاي، گاف انرژي 0/4 الکترون ولت و در حد نانویی این مقدار تا 2/63 الکترون ولت قابل افزایش است.
لذا با تغییر اندازه نقطه کوانتومی میتوان طیف جذبی و نشري دلخواه را داشت، بنابراین میتوان بجاي استفاده از EDFA از - Quantum Do Doped Fiber Amplifier - QDFA با توزیع اندازهاي مناسب استفاده کرد. و با نقطههاي کوانتومی PbS محدوده طیفی مادون قرمز نزدیک 1-2 میکرومتر را پوشش داد. طرح آزمایشگاهی آن در شکل - 2 - آمده است. نقطههاي کوانتومی PbS را به صورت سوسپانسیون درون مغزي فیبر محلولها و افزایش غلظت مهار کننده PVA اندازه ذرات کوچکتر نوري توخالی - Hollow Core Photonic Bandgap Fiber - با قطر میشوند. شکل 3 و جداول شمارهو 2 1 گواه این موضوع است. مغزي 10/9 میکرومتر و طول یک متر قرار داده و از پمپ با توان 35 جدول :1 دادههاي اندازهاي براي حالتی که غلظت مهار کننده %5 وزنی میلی وات با طول موج 1480 نانومتر و توان سیگنال 1/5 میلی وات با طول موج 1550 نانومتر نیز استفاده کرد و به تقویت کننده با پهناي باند تقویت وسیع با نویز کم دست یافت.
گزارش تجربی
براي ساخت نقطههاي کوانتومی PbS از روش شیمیایی که روشی بسیار کارآمد و ارزانبهتر و سادهتر نسبت سایر روشها نظیر ساخت توسط لیزر با پالسیهاي تیز و روش لیتوگرافی و رو نشست مولکولی میباشد. در روش شیمیایی میتوان کنترل بسیار خوب بر روي اندازه نانوکریستال داشت. در این روش پس از حل کردن پلی وینیل الکل - PVA - در آب دو بار تقطیر با نسبت وزنی %5 در دماي 70 درجه، به این محلول شفاف محلول PbCl2، 0/01 مولار - به نسبت 2 به - 1 اضافه کرده و از ابتدا از هم زن مغناطیسی با 200 دور در دقیقه استفاده میشود.
