QUANTUM DOTS

*Wyllian Franz dos Santos Oliveira

RESUMO

Este trabalho apresenta a história, definição, organização e aplicações de quantum dots. Para tanto, utilizou-se como ponto de partida os semicondutores comuns passando pelos nanocristais semicondutores com sua organização e novas propriedades e finalizando com suas aplicações.

Palavras-Chave: Quantum Dots. Nanocristais semicondutores. Bandgap. Éxcitons. Confinamento Quântico.

*Graduando em Química, Instituto de Química/UFBA, Salvador, BA, E-mail: wyllianfranz@gmail.com

1. INTRODUÇÃO

Quantum Dots (QDs) são partículas formadas a partir de materiais semicondutores inorgânicos e que medem de 2 – 10 nm (dots) constituídos de 10 a 50 átomos. Essas minúsculas partículas nanoestruturadas possuem propriedades diferentes do mesmo material massivo a partir do qual é formada. Algumas das propriedades divergem tanto do seu respectivo material massivo que chegam a ser usadas como definição de QDs. Por exemplo: “um emissor de radiação eletromagnética com um badgap facilmente ajustável”[1]. Esta é apenas uma das três formas com que a Evident Technologies define quantum dots.A possibilidade de manipular partículas tão pequenas visando usufruir dos benefícios advindos das novas propriedades do mesmo material é recente, no entanto, existem muitas publicações cientificas sobre o assunto por serem materiais inovadores. Definir e explicar o funcionamento de QDs não são prioridades destas muitas publicações científicas. O escopo destas publicações reside, basicamente, em apontar uma ou mais propriedades dos QDs e mostrar suas aplicações como utilidades inovadoras.

Este artigo pretende não somente mostrar as aplicações de QDs, mas também defini-los e explicar as novas propriedades à luz de sua organização como partícula. O autor sabe que, por se tratar de um material inovador o número de aplicações aqui relatadas serão cada vez menor à medida que o conhecimento sobre organização e manipulação destas partículas se alargam e que nem mesmo as fronteiras da definição são inamovíveis para um material cujo as pesquisas os tornam tão dinâmicos

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2. HISTÓRIA

Quantum dots são formados a partir de materiais semicondutores. Em relação ao semicondutores “historicamente temos relatos muito antigos, como o de 1833, uma descoberta feita por Michael Faraday que abriu caminho para as pesquisas em semicondutores. Faraday descobriu que o composto sulfito de prata tem um coeficiente negativo de resistência com a temperatura1* e esta é uma propriedade típica nos materiais semicondutores. O oposto é verdadeiro para um condutor, pois este tem um coeficiente positivo de resistência.

No ano de 1936 a Bell Labs decide criar um grupo de pesquisa específico para estudar e desenvolver dispositivos semicondutores, com o objetivo de fabricar o transistor de efeito de campo. Um outro grupo bastante ativo nesta área e que contribuiu significativamente com o trabalho na Bell Labs foi o grupo da universidade de Purdue. Em 1940, R. Ohi identifica pela primeira vez semicondutores de Si tipo p e tipo n. No mesmo ano, J. Scaff e H. Theuerer mostram que tanto o nível quanto o tipo de condutividade do Si, é devido à presença de impurezas (dopagem) “[2].

“Hoje em dia dispositivos semicondutores estão por toda parte. O semicondutor é um material que possui uma condutividade intermediária entre o condutor e o isolante. Os exemplos mais populares de semicondutores são o silício (Si) e o germânio (Ge). Alguns materiais semicondutores são feitos de uma liga cristalina com mais de um tipo de átomo. Como exemplos destas ligas podemos citar o arseneto de gálio (GaAs) e o fosfeto de índio (InP). Estes dois

últimos materiais são muito usados na 2*optoeletrônica. Uma das grandes vantagens dos semicondutores é o fato de sua condutividade poder variar fortemente com as condições externas [3].

O comportamento dos semicondutores pode ser explicado pela Teoria das Bandas que também explica o comportamento de condução elétrica dos metais e isolantes. Nesta teoria, sugere-se que com o aumento de átomos que se interagem entre si aumenta-se a superposição de orbitais atômicos levando ao aumento de igual número de orbitais moleculares. A fig. 1 mostra esquematicamente o que acontece à medida que um número maior de átomos metálicos unem-se para formar orbitais moleculares. À medida que a superposição dos orbitais atômicos ocorre formam-se combinações de orbitais moleculares ligantes e antiligantes. Quando o número de átomos que se interagem são muito grandes a separação de energia entre os orbitais moleculares são tão minúsculas que, para todos os efeitos práticos, podemos pensar nos orbitais moleculares como formando uma banda contínua de estado de energia permitidos chamados de banda de energia.

Fig.1 Com o aumento do número de átomos que se interagem os orbitais moleculares ligantes e antiligantes formam um banda de energia

O efeito de acrescentar sucessivamente os átomos é de espalhar a banda de energia coberta pelos orbitais moleculares, e também preencher esta banda d energia com cada vez mais orbitais, um a mais para cada átomo adicionado.

Se os átomos tiverem orbitais p disponíveis então o mesmo procedimento conduz a uma banda p. Se esta banda p for mais energética que a banda s ela estará acima da banda s com uma lacuna entre as duas bandas. Esta lacuna possui uma faixa de energia para o qual não corresponde nenhum orbital. A lacuna para o qual não corresponde nenhum orbital é uma faixa de energia proibida chamada, preferencialmente, de Bandgap pelos físicos e HOMO-LUMO gap pelos químicos. O mecanismo de condução elétrica nos metais e semicondutores e de não condutividade elétrica para os isolantes está baseado neste bandgap.

O metal apresenta uma banda de energia parcialmente preenchida. O HOMO dessa banda é chamada de nível de Fermi. Logo acima do nível de Fermi existem orbitais vazios e com energia muito próximas a este nível como mostrado na Fig. 2. Para excitar os elétrons do nível de Fermi para os orbitais vazios logo acima precisa-se de pouca energia. Estes elétrons são, portanto, muito móveis e são eles os responsáveis pela condutividade elétrica nos metais. Uma característica fácil de se observar nos metais é que à medida que

se aumenta a temperatura, aumenta-se o movimento térmico dos átomos, aumentando conseqüentemente o número de colisões entre os elétrons e os átomos o que resulta em uma menor eficiência dos elétrons como transportadores de carga.

Os semicondutores e isolantes possuem duas bandas de energia uma acima da outra intercalada pelo bandgap. A banda inferior preenchida é chamada de banda de valência e o nível de Fermi coincide com o topo desta banda. A banda superior vazia é chamada de banda de condução.

Fig.2 Bandas de energia em condutores, isolantes e semicondutores

O bandgap dos semicondutores é pequeno o suficiente para que ao excitar elétrons com pouca energia, estes passem da banda de valência para a banda de condução, desta forma, com um aumento de temperatura criam-se buracos, orbitais vazios, na banda de valência que permitem a condutividade. Os elétrons na banda de condução também funcionam como transportadores de corrente elétrica. Em alguns materiais o bandgap é tão grande que o material exigirá grande quantidade de energia para transpor a lacuna de energia proibida e conduzir eletricidade, estes são os materiais isolantes.

Alguns elementos funcionam como semicondutores como, por exemplo, o Silício e o Germânio. Outras substâncias obtidas por combinação de alguns elementos também funcionam como semicondutores, por exemplo, Arseneto de Gáliol (GaAs), Seleneto de Chumbo (PbS) e muito outros.

Como Emil Roduner destaca, os materiais ganham novas propriedades desde que se tornem suficientemente pequenos. “Nós poderíamos até querer pensar, pensando, que ouro é ouro, platina é platina e CDs é CDs, mas nós, vagarosamente, temos nos acostumados ao fato que isso também não é verdade e depende do tamanhão quando a espécie é suficientemente pequena [4]. Zarbin enfatiza que ter tamanho nanométrico não é condição suficiente para que um material possa ser considerado novo material. “Podemos definir nanomateriais como sendo materiais que possuem ao menos uma dimensão na faixa de tamanho nanométrica, abaixo do tamanho crítico capaz de alterar

algumas de suas propriedades” [5]. Existe um tamanho crítico para semicondutores massivos que será discutido mais adiante.

Assim como os metais ganham novas propriedades em escala nanométrica, abaixo do seu tamanho crítico, de igual forma os semicondutores apresentam muitas excelentes propriedades.

3. NANOCRISTAIS SEMICONDUTORES

3.1 Definição

QDs pertencem à classe dos semicondutores e também são conhecidos por nanocristais semicondutores com o seu tamanho variando de 2 – 10 nm. Podem ser compostos por elementos dos grupos II – VI, III – V e IV – VI da tabela periódica.Leo Kouwenhoen e Charles Marcus definem QDs como “gotículas artificiais de carga que podem conter desde um único elétron a uma coleção de vários milhares” [6]. QDs também são conhecidos como “fragmentos de tamanho nanométrico (pontos) de material semicondutor cristalino que emitem fótons”[7]. As duas definições complementam-se e é notório que ao descrever QDs utilizem uma ou outra propriedade distintiva do material. De forma mas concisa, quantum dots são nanocristais semicondutores cujo diâmetro não mede mais que 10 nm.

Estas minúsculas partículas possuem propriedades extraordinárias, mas a pergunta fundamental é: A que é devido as novas propriedades destes nanocristais semicondutores? Para facilitar a compreensão desta resposta é preciso que o raciocínio lógico linear passe pela organização dos semicondutores massivos e, em seguida, pela organização dos QDs.

3.2 ORGANIZAÇÃO DE UM SEMICONDUTOR MASSIVO

Muitas propriedades dos átomos da tabela periódica são devidos a sua estrutura eletrônica e não é diferente para os QDs cuja organização força os pesquisadores a chamá-los de átomos artificiais. “O mais interessante é que muito dos fenômenos quânticos observados em átomos e núcleos reais – a partir de estrutura de camadas em átomos para caos quântico em núcleos – podem ser observados em quantum dots e ao invés de ter que estudar os diferentes elementos ou isótopos estes efeitos podem ser investigados em um quantum dot simplesmente mudando seu tamanho e forma [8].

Os elétrons no seio de um material semicondutor (bulk) comum possuem faixas de energias. Os elétrons são alocados segundo a regra de Hund que afirma que “ para orbitais degenerados, a menos energia será obtida quando o número de elétrons com o mesmo spin for maximizado [9]. Elétrons com energias diferentes estão em níveis de energias diferentes. Os elétrons no 3*bulk de 4*materiais massivos estão em níveis de energia tão próximos que é possível descrevê-los como em uma banda de energia (ver Fig 1). No bulk destes semicondutores massivos existem regiões de energia proibida para os elétrons. Essa região é o bandgap e esse bandgap muda de semicondutor para semicondutor. Nos semicondutores existem duas bandas de energia intercaladas pelo bandgap (ver Fig. 2).

Os elétrons que ocupam a banda de energia inferior estão na Banda de Valencia e os elétrons que ocupam a banda de energia superior estão na Banda de Condução. Pouquíssimos elétrons ocupam a banda de condução e a maior parte dos elétrons ocupam a banda de valência, enchendo-a quase que completamente. Elétrons podem ser excitados da banda de valência para a banda de condução através do bandgap por estímulos como calor, tensão ou fluxo de fótons. Quando o estímulo é suficientemente forte para o elétron se deslocara da banda de valência, atravessar o bandgap e se instalar na banda de condução a localização da valência desocupada é chamada de buraco. O par elétron-buraco é denominado éxciton (Fig.3).

No bulk de semicondutores massivos, devido aos níveis contínuos de energia dos elétrons e o grande número de átomos a faixa de energia do bandgap é fixo. Outra observação importante nos semicondutores massivos é que os elétrons instalados na banda de condução devido a estímulos externos ficarão na banda de condução apenas momentaneamente antes de voltar à banda de valência através do bandgap. Ao retornar à banda de valência o elétron emite a radiação eletromagnética absorvida no primeiro processo de transição. O elétron tende a saltar da parte inferior da banda de condução para o topo da banda de valência, isto é, ele viaja de uma extremidade a outra do bandgap. Como o bangap do semicondutor massivo é fixo a radiação eletromagnética emitida pelo elétron ao retornar a banda de valência também é fixa. Aqui reside as propriedades excepcionais dos quantum dots: A possibilidade de ajustar o bandgap.

3.3 ORGANIZAÇÃO DE UM QUANTUM DOT

Os fenômenos observados nos semicondutores massivos também podem ser observados nos nanocristais semicondutores com a exceção de que estes últimos apresentam, além do tamanho nanométrico, um bandgap ajustável.

Cada material possui uma separação física média do par eleton-buraco (éxciton) conhecido como Raio de Bohr do Éxciton (Fig.4). As dimensões do semicondutor massivo são muito maiores que essa separação física média do material o que permite o par elétron-buraco se estender ao seu limite natural.

Fig.3 (a) mostra a banda de valência cheia e a banda de condução, acima, vazia. Em (b) é mostrado o par elétron-buraco, éxciton. A figura à direita mostra a transição do elétron com sua emissão e absorção de energia

No entanto, se um semicondutor massivo torna-se pequeno o suficiente para que ele se aproxime do Raio de Bohr do Éxciton, então, os níveis de energia dos elétrons não podem mais serem tratados como discretos, significando que há uma pequena e finita separação entre os níveis de energia.[10]

Fig.4 Diagrama esquemático de um éxciton em um material massivo, com o buraco (círculo cheio próximo do centro) e um elétron separados pelo Raio de Bohr do éxciton λ, orbitando ao redor do centro de massa

A discretização dos níveis de energia dos elétrons é justamente o oposto do efeito da adição de átomos formando uma banda contínua de estados de energia permitidos. O semicondutor massivo passa por uma diminuição progressiva em três dimensões até formar um ponto.

O Raio de Bohr do Éxciton é o tamanho crítico para os semicondutores abaixo do qual o material apresenta novas propriedades como bem frisou Zarbin.

A redução de um semicondutor massivo a um dot também é chamado de confinamento quântico ou confinamento eletrônico e é devido a diminuição do semicondutor massivo em três dimensões (Fig. 5).

Fig. 5 Discretização dos níveis de energia com a diminuição da partícula

Tendo em mente todos os aspectos organizacionais de um quantum dot é fácil notar que a adição ou a subtração de alguns átomos da partícula tende a alterar os limites do bandgap devido à mudança do tamanho do ponto e os efeitos de confinamento eletrônico. Para efeitos de comparação o bandgap de um quantum dot é energeticamente maior que o bandgap do seu respectivo material massivo. Á medida que se diminui um quantum dot, com a retirada de átomos, maior se torna o bandgap, isto é observado no fato de que com a diminuição do quantum dot o elétron excitado, alocado acima do bandgap, cairá a uma distância maior em termos de energia e o comprimento de onda emitido na radiação poderá esta na região do visível do vermelho, para maiores comprimentos de onda e violeta, para menores comprimentos de onda. Sabendo que a energia é determinada pela equação de energia do fóton, E = h/λ. Com efeito, é possível controlar a radiação emitida na região do visível com grande precisão, simplesmente, como já dito, alterando o número de átomos na partícula.

4. SÍNTESE

4.1 Métodos químicos

“O método “ideal” de síntese de QDs semicondutores deverá permitir a preparação de nanopartículas que apresentam uma uniformidade de composição, forma, dimensão, estrutura e cuja superfície deverá estar apropriadamente derivatizada. Com efeito, a utilização de nanocristais em dispositivos optoeletrónicos requer a preparação de nanocristais monodispersos e amostras bem caracterizadas, permitindo obter propriedades físicas acordáveis dependentes do tamanho dos nanocristais

A obtenção de uma amostra em que os nanocristais se apresentem com reduzida dispersão de dimensão só é possível se o procedimento de síntese assegurar uma elevada velocidade de nucleação e uma baixa velocidade de crescimento das partículas. São vários os procedimentos de preparação atualmente conhecidos.”[12] Para se obter QDs com as qualidades referidas usa-se: a precipitação homogênea de partículas em fase coloidais, a síntese partindo de precursores organometálicos ou ainda utilizando-se materiais com estruturas confinadas.

4.1.1 Precipitação de partículas coloidais

Um clássico exemplo é a síntese de soluções coloidais contendo nanocristais de CdS, por precipitação em fase homogênea a partir de soluções aquosas de CdSO4 e (NH4)2S [12]. Partículas de CdS é praticamente insolúvel em água e isso permite obter tais partículas partindo de soluções muito diluídas dos referidos íons. A formação dos núcleos de cristalização e a sua agregação determinam as dimensões e propriedades das partículas. Deve se tornar possível, através deste método controlar o processo de crescimento do cristal e assegurar que este processo seja interrompido imediatamente após os pequenos germens cristalinos estejam completamente nucleados de forma homogênea para impedir a agregação destes pequenos cristais que formariam

grandes partículas indesejáveis reduzindo-se a dispersão dos tamanhos das partículas formadas.

A seguinte reação de equilíbrio determina a estabilidade dos nanocristais:

Para formar os núcleos de cristalização a síntese deve assegurar que os cristais de menores dimensões não sofram um processo de dissolução espontânea (Ostwald ripening). Cristais menores apresentam uma relação área/volume superior a cristais maiores, isto implica em maior energia livre superficial o que os torna menos estáveis gerando, conseqüentemente, cristais de maiores dimensões. Uma escolha apropriada de solventes, temperatura em que ocorre a síntese e pH do meio reacional reduzem a solubilidade dos menores cristais.Já o crescimento das partículas é controlado fazendo com que a formação da solução coloidal(sol) não evolua no sentido de agregar as partículas ou sedimentá-las posteriormente. O modo mais simples de estabilizar as partículas da solução coloidal é por via de fenômenos de repulsão eletrostática[14]. Este fenômeno ocorre com maior intensidade em solventes polares em que as espécies de um dado íon estão em excesso na solução, originando, na sua vizinhança, uma nuvem de íons de carga oposta, que são assim atraídos para a superfície dos pequenos cristais carregados. Este modo de estabilização não permite a obtenção de soluções coloidais com elevada concentração e o processo de agregação das partículas decorre num curto intervalo de tempo

4.1.2 Síntese utilizando precursores metálicos

Este método permitiu a obtenção de nanopartículas com melhores qualidades e com menor dispersão de tamanho. As nanopartículas são obtidas na forma de pós e que podem ser posteriormente dispersas quer em solventes quer em matrizes poliméricas. Consiste num simples e curto processo de nucleação seguido por um passo de lento crescimento dos núcleos existentes.

A síntese é realizada, geralmente, pela adição de um composto organometálico, contendo o metal, Cd(DH3)2, e de um precursor do respectivo calcogeneto, (TMS)2Se ou TOPSe, na presença de um solvente com propriedades tensoativas, por exemplo, tri-n-octilfosfina(TOP) ou óxido de tri-n-octilfosfina (TOPO), que estabelece ligações com a superfície dos átomos de cádmio, estabilizando deste modo, a partícula formada [15]. Em síntese, “Um solvente é aquecido a 260º C, no qual são injetadas soluções com compostos de cádmio e selênio. Os compostos se decompõem e se recombinam como nanopartículas puras de CdSe - os QDs. É possível definir suas propriedades ópticas ajustando seus tamanhos - o que é definido pelo tempo que eles ficam "cozendo" no óleo quente” [16]

Apesar de a resumida descrição sobre a síntese do CdSe, tida apenas como exemplo, o método se estende para outros semicondutores. A explicação do procedimento é longa, mas tem sido uma das melhores formas de controlar, com elevada precisão, o tamanho das partículas, a respectiva dispersão de tamanhos e obter nanoparticulas com forma esférica e de elevada cristalinidade.

Entre outros métodos químicos estão: Síntese em materiais com cavidade de geometria bem definida

- Zeólitas - Micelas Inversas Processos de síntese pelo método sol-gel e aplicação dos materiais

preparados como meios hospedeiros para a encapsulação de nanopartículas de semicondutores

Polímeros contendo nanopartículas de semicondutores

O presente trabalho poderia apresentar os métodos físicos de síntese de quantum dots, mas foge à intenção de explicá-los. Como o objetivo do artigo é fazer uma apresentação à comunidade de química o autor não se delonga em métodos físicos de síntese.

5. VIABILIDADE

Embora promissores, os pontos quânticos são muito caros. Seu preço está ao redor de US$2.000,00 o grama - é isto mesmo, US$2 milhões o quilo, o que os torna um dos materiais mais caros do mundo, mais caros até do que os nanotubos de carbono. A principal razão desse custo astronômico é o solvente octadeceno, ou ODE, responsável por cerca de 90% do preço final dos pontos quânticos. E, claro, pelo fato de que eles são produzidos "artesanalmente" - não existe ainda uma produção em escala industrial [13].

“Uma alternativa barata e não-tóxica vem sendo idealizada por Sameer Sapra e colaboradores, na Universidade Ludwig Maximillians, de Munique (Alemanha). Sapra e seus colegas usaram óleo de oliva comum como solvente para fazer quantum dots cádmio-selênio, fugindo, assim, da necessidade de usar fosfinas. O método poderá abrir possibilidades para a produção em massa dos nanocristais, disse Sapra. Paul Mulvaney, um perito em quantum dots da Universidade de Melbourne, Vitória (Austrália), vê potencial nessa descoberta. ‘A síntese proporciona flexibilidade adicional no design e crescimento de nanocristais semicondutores’, conforme Mulvaney. De acordo com Sapra, a qualidade dos nanocristais obtidos por essa rota é a mais alta já vista para métodos livres de fosfinas”. [17]

Há uma grande discussão sobre a aplicação de quantum dots no campo da nanomedicina, campo em que estas partículas se mostram mais promissoras com potenciais para a cura do câncer, evitar a propagação da AIDS e outras doenças infecciosas. A agregação, estabilidade e degradação de quantum dots em um ambiente intracelular é de grande preocupação e compreender seu comportamento biológico é de fundamental importância. Alguns cientistas avaliaram sua citotoxicidade e concluem que seu uso em seres humanos, ainda é inviável. Por outro lado, outros pesquisadores conseguiram diminuir a citotoxicidade de um quantum dot. “Nosso recente trabalho se esforça para reduzir esta toxicidade inerente, adicionando gelatina como um co-agente de nivelamento para reduzir o impacto que a QDs têm sobre as células". Afirma Dr. Yurii Gun'ko, professor de química inorgânica no Trinity College de Dublin[18]. Esses quantum dots estabilizados foram chamados por eles de Jelly Dots

Existem muitas pesquisas em andamento sobre como tornar viável a síntese de quantum dots. Enquanto alguns pesquisadores se debruçam sobre métodos alternativos de síntese outros já exploram a recém descobertas propriedades dos quantum dots

6. APLICAÇÕES

Seria, por demais, pretensão mostrar todas as possíveis aplicações de quantum dots mesmo porque este artigo é necessariamente limitado. Eles oferecem inovação tanto na tecnologia como na medicina. Vejamos apenas algumas de suas aplicações:

6.1 Dispositivo Emissor de Luz Branca de Estado Sólido

A emissão de luz fria e de baixo consumo de energia é uma das mais promissoras áreas da nanotecnologia, podendo ter aplicações em telecomunicações, em chips óticos e na iluminação em geral. "O entendimento da física da luminescência em nanoescala e a aplicação desse conhecimento para o desenvolvimento de fontes de luz baseadas nos 'quantum dots' é o foco da nossa pesquisa," afirmou Lauren Rohwer, coordenadora dos trabalhos. O enfoque utilizado baseou-se no encapsulamento de "quantum dots" (nanocristais semicondutores) e no polimento de suas superfícies de forma tão eficiente que eles passaram a emitir luz visível quando excitados por radiação emitida por LEDs que operam na faixa do infravermelho próximo. Os "quantum dots" absorvem fortemente a luz na faixa do infravermelho próximo, reemitindo luz visível. A cor da luz emitida varia em função da dimensão dos "quantum dots" e da composição química de sua superfície[19]. Os QDs são encapsulados em uma matriz polimérica, geralmente epóxi ou silicone, e depois são integrados a um substrato para LEDs. “Quando excitados por uma fonte de luz - neste caso, os LEDs – quantum dots irradiam luz em um comprimento de onda que varia de acordo com o tamanho do ponto: 2 nanômetros emitem luz azul, 4 nanometros emitem verde e seis nanômetros emitem luz vermelha”[20]. A combinação de quantum dots de diferentes tamanhos permitem obter cores desejadas inclusive a branca (Fig.6)

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Fig. 6 ILUMINAÇÃO DO FUTUTO, Laura Rohwer com quantum dots encapsulados em uma matriz polimérica e integrados a um substrato para LEDs

6.2 Optoeletrônica

A optoeletrônica trabalha com dispositivos que interagem com a luz. QDs são muito utilizados em aplicações de optoeletrônica, tais como, lasers e células solares.

Lasers

No interior de todo laser se encontra um material que, ao ser estimulado por uma fonte de energia externa, amplifica um feixe de luz. Em teoria, QDs teriam grande potencial para tal uso, especialmente porque as cores da luz emitida podem ser ajustadas em muitas variações. O estudo abre uma porta para a construção de lasers mais eficientes, que podem ter diversas aplicações na optoeletrônica, como em tecnologias de microlaboratórios em pastilhas (lab-on-a-chip) ou em dispositivos de processamento de informação quântica.

células solares

O cientista Yoshitaka Okada, da Universidade de Tsukuba, Japão, criou um protótipo de célula baseada em quantum-dots mais eficiente que as atuais. O professor Okada empilhou semicondutores em série - quantum-dots -, cada um com a espessura de 10 a 20 nanômetros, para chegar a uma célula de alguns milímetros quadrados. Os dots são feitos de arseneto de índio e têm atualmente uma eficiência de conversão de 7%, contudo, podem gerar eletricidade através de um espectro luminoso bastante amplo, indo do ultravioleta ao infravermelho (o que significa que funcionam muito bem em pleno sol e na penumbra). As células atuais permitem 20% de eficiência, com uma perspectiva de 30% no futuro, e necessitam uma insolação direta. Porém o nível de eficiência teórica de 63% não será atingido antes de 2020.

6.3 QD DISPLAY

É um monitor à base de quantum dots (Fig.7). Com 32 por 64 pixels, o QD Display é do tamanho de uma tela de telefone celular e com aproximadamente meio centímetro de espessura. Possui estrutura simples, constituída de uma camada de material na forma de quantum dots, "ensanduichada" entre duas regiões semicondutoras. “A idéia é criar monitores de mais alta qualidade. Devido às peculiaridades dos quantum dots estes monitores têm possibilidade de apresentar uma qualidade visual superior ao monitores atuais somada a uma experiência de uso melhor que os monitores de cristal líquido ( LCDs ), produzindo cores mais luminosas, mais ricas e precisas, e, ainda, consumindo menos energia”[21]

6.4 COMPUTADOR QUÂNTICO

Os atuais computadores tem como bloco básico o bit que é uma carga elétrica, que pode ser negativa (um 0) ou positiva (um 1). Cargas elétricas se formam em um material pela ausência ou pelo acúmulo de elétrons. Já os computadores quânticos têm como bloco básico o quibit (bit quântico), estes “não exploram as cargas dos elétrons, mas seu spin - uma propriedade quântica que pode ser entendida comparando-se o elétron a uma bússola. Só que, ao invés de Norte e Sul, o spin pode ser "para baixo" ou "para cima." Além dos estados clássicos de informação - 0s e 1s - os qubits podem também assumir um número arbitrário de estados intermediários, conhecidos como estados quânticos superpostos. Com cada bit podendo assumir diversos valores, os computadores quânticos poderão fazer uma quantidade de cálculos simultaneamente que é impensável na arquitetura dos computadores atuais”[22]. (Fig.8)

Fig. 8 D-wave Orion 16-qubit processor (Credit: D-Wave/J. Chung)

6.5 Nanomedicina

A nanomedicina se utiliza de materiais abaixo do seu tamanho crítico, geralmente em escala nano, para cura e detecção de doenças. Os QDs são apenas umas destas partículas utilizadas pela nanomedicina com um potencial medicinal crescente.

Fig.7 Protótipo de monitor de quantum dot. Cada monitor emite cores extremamente puras, podendo ser produzido numa escala que pode competir com as telas convencionais

Chega a ser assustador a passagem dos testes in vitro, isto é, com o material biológico do ser vivo isolado, para os testes in vivo, isto é, que ocorre ou tem lugar dentro de um ser vivo. Esta evolução de testes em tão pouco tempo mostra um dos maiores, senão o maior, potencial de QDs. QDs podem detectar tumores cancerígenos sem agredir as células saudáveis (ver fig.9). Depois de injetado no ser vivo uma simples exposição à raios UV marcaria o local do tumor “Segundo Alivisatos, é possível melhorar em muito os procedimentos de diagnóstico com os quantum dots. Para identificar uma bactéria infecciosa, por exemplo, bastaria conectar alguns quantum dots em anticorpos e então usar as propriedades luminosas dos dots para observar como eles reagiriam numa amostra tirada do organismo. Ao serem iluminados, eles emitem luz de uma determinada cor, que denunciaria a atividade dos anticorpos e revelaria, de pronto, a presença de potenciais patógenos ligados a eles”[23].

Fig. 9 Localização de um tumor em humanos (esquerda) e teste já realizado em ratos com sucesso usando quantum dots (direita)

Apesar de significativos na detecção de câncer ainda existem problemas a serem superados. QDs podem causar reações alérgicas perigosas sem contar que as substâncias utilizadas em sua estabilização e constituintes, de maneira geral, podem ser tóxicos ao ser humano. “O tamanho dos complexos de quantum dots é superior ao necessário para a eliminação pelos rins – isso faz com que eles sejam eliminados pelo fígado, que é particularmente sensível à toxicidade do cádmio (um dos elementos mais comuns na fabricação de quantum dots)“[24]. Para minorizar a acumulação nos rins e no baço devido à captura pelo sistema monocítico fagocitário, responsável por eliminar qualquer corpo estranho que se introduz em um organismo, uma equipe de pesquisadores revestiram os QDs com peptídios e polietilenoglicol (PEG). “Nós

estimamos que a co-adsorção do PEG e peptídeo na superficie dos qdots reduziu a acumulação no fígado e no baço, em cerca de 95%. O revestimento de PEG não altera a acumulação de qdot no tecido tumoral”[25]

À medida que as pesquisas avançam em conhecimento e síntese de QDs paralelamente aumenta suas aplicações no campo da eletrônica e medicina. Os impeditivos que aparecem são eliminados com intensas pesquisas tornando quantum dots viáveis às suas possíveis aplicações.

É importante destacar que os exemplos de aplicações de quantum dots aqui mencionados são poucos e que, apesar de ser um material novo, já existem inúmeras publicações sobre eles, quase todos mostrando suas propriedades e possíveis aplicações.

7. Conclusão

Quantum dots é a mais nova classe de semicondutores com potenciais ainda desconhecidos. Este artigo propôs lograr sucesso com uma explicação simples destes novos materiais já que a disponibilidade de material didático nesta área em português ainda é escasso, contudo com um número significante de artigos didáticos em inglês. fazer uma descrição e explicação linear começando pela história dos semicondutores massivos passando pelas propriedades e concluindo com aplicações de quantum dots foi, segundo o autor, a forma mais didática para isto.

1*O coeficiente negativo de resistência de temperatura diz de uma outra maneira que a  resistência à passagem de corrente elétrica do material diminui quando a temperatura aumenta, ou seja, a corrente elétrica aumenta com o aumento da temperatura.2*A optoeletrônica se refere a dispositivos eletrônicos que interagem com a luz. Muitos destes dispositivos são feitos de semicondutores.3* bulk: seio de um material massivo4* materiais massivos são materiais que possuem mais de 108 átomos

8. REFERÊNCIAS

[1] http://www.evidenttech.com/quantum-dots-explained/quantum-dot-glossary.html[2] http://www.tecnosapiens.com.br/2008/09/historia-semicondutor-a-partir-de-1900/[3] http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Semicondutores.htm[4] RODUNER, Emil. Size Matters: Why nanomaterials are different, Chemicals Society Reviews, 35, 2006, pag. 583 – 592[5] ZARBIN, Al J. G.; Química de (nano)materiais. Química Nova, Vol. 30, No. 6, 2007, pag.. 1469 - 1479[6] KOUWENHOVEN, Leo; MARCUS, Charles. Quantum Dots. Physics World, June 1998, pag 35 - 39 [7] http://decs.bvs.br/cgi-bin/wxis1660.exe/decsserver/?IsisScript=../cgi-bin/decsserver/decsserver.xis&task=exact_term&previous_page=homepage&interface_language=p&search_language=p&search_exp=Nanocristais%20Semicondutores[8] KOUWENHOVEN, Leo; MARCUS, Charles. Quantum Dots. Physics World, June 1998, pag 35 - 39[9] BROWN, T. L.; LEMAY, H. E,; JR, B. E.; tradutor Robson Matos; Consutores técnicos: André Fernando de Oliveira e Andréa F. de Souza Silva.; Química, a ciência Central. 9ª Ed. São Paulo: Pearson . Prentice Hall, 2005[10] http://www.evidenttech.com/quantum-dots-explained/how-quantum-dots-work.html [11]http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165050919[12] Trabalho publicado no livro “Nanoestruturas Semicondutoras – Fundamentos y Aplicaciones”, Editores: J. Tutor Sánchez, H.Rodríguez-Coppola, G. Armelles-Reig, CYTED, ISBN: 84-96023-00-1, capítulo 2: Técnicas de Produccíon de Nanoestructuras Semicondutoras, (2003) 180-194.[13] R. Rossety, J. L. Ellison, J. M. Gibson, and L. E. Brus, J. Chem. Phys., 80 (9), 1984, 4464.[14] R.Rossetti, R. Hull, J. M. Gibson, L. E. Brus, J. Chem. Phys., 82 (1), 1985, 552.[15] Trabalho publicado no livro “Nanoestruturas Semicondutoras – Fundamentos y Aplicaciones”, Editores: J. Tutor Sánchez, H.Rodríguez-Coppola, G. Armelles-Reig, CYTED, ISBN: 84-96023-00-1, capítulo 2: Técnicas de Produccíon de Nanoestructuras Semicondutoras, (2003) 180-194.[16]http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165050919[17]http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/lqes_news/lqes_news_cit/lqes_news_2006/lqes_news_novidades_836.html[18] http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2220.php[19]http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110030730[20] http://www.technologyreview.com/energy/22641/[21]http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/lqes_news/lqes_news_cit/lqes_news_2006/lqes_news_novidades_800.html[22] M.V. Gurudev Dutt, Lilian I. Childress, Liang Jiang, Emre Togan, Jeronimo Maze, Fedor Jelezko, Alexander S. Zibrov, Phillip R. Hemmer, Mikhail D. Lukin.; Quantum Register Based on Individual Electronic and Nuclear Spin Qubits in

Diamond. Science, Vol.: Vol. 316, 1 June 2007, pag. 1312-1316[23] http://www.nanotecexpo.com.br/news/?cat=14[24] http://bala-magica.blogspot.com/2009/07/nanoparticulas-que-emitem-luz-parte-iii.html?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+bala-magica+(Bala+M%C3%A1gica)[25] Nanocrystal targeting in vivoPNAS 2002 99:12617-12621; published online before print September 16, 2002, doi:10.1073/pnas.152463399