Kvantumbezárás

A kvantummechanikában a kvantumbezárás egy elsősorban nanoszerkezetű anyagokra jellemző fizikai jelenség, mely akkor lép fel, ha a vizsgált rendszer valamely mérete összemérhető a benne levő valamely részecske de Broglie-hullámhosszával. A jelenséget leggyakrabban vezető vagy félvezető anyagokból álló nanoszerkezetekre értelmezik, amikor egy ilyen szerkezet valamelyik kiterjedése az anyag vezető sávelektronjainak hullámhossz-tartományába esik, vagy annál kisebb.

A kvantumbezárás legáltalánosabb értelmezése szerint egy adott fizikai jelenséggel kapcsolatban bezárásról beszélünk, ha annak egy karakterisztikus mérete összemérhető a vizsgált rendszer egy kiterjedésével, így különféle jelenségek esetén más-más mérettartománynál válik a bezárási hatás számottevővé.

Ha egy rendszerben fellép a kvantumbezárás jelensége, az anyag egyes fizikai jellemzői nagymértékben módosulnak, a tömbi viselkedéstől eltérnek. Ez a nanotechnológia egyik fontos kiindulópontja, részben ez okozza, hogy a nanoszerkezetek különleges tulajdonságokkal bírnak.

Fizikai leírása

A kvantumbezárás jelensége a nanorészecskék igen jellemző tulajdonsága, így ennek megértéséhez célszerű a nanorészecskék mérettartományát kétfelől közelíteni: egyrészt makroszkopikus tömbi anyagok, másrészt az atomi méretek felől. Egy tömbi anyagban az elektronok számára megengedett energiaállapotok enegiasávokba állnak össze. A sávok szélessége, állapotsűrűsége, illetve a sávokat elválasztó tiltott sávok alapvetően határozzák meg az anyag elektromos és optikai jellemzőit. Az atomok körüli kötött állapotú elektronok számára ezzel szemben csak diszkrét energiaszintek megengedettek, ugyanis az atommag által keltett potenciáltér az elektronokat kis helyre zárja be. Ez a bezártság bizonyos közelítésben úgy képzelhető el, hogy az atomok körül az elektronok potenciálgödörben vannak, melynek belsejében a hullámfüggvény-megoldásuk terjedő jellegű, azon kívül pedig lecsengő.

A nanoszerkezetek energiaspektruma a folytonos sávszerkezet és a diszkrét energianívók közti átmenetet képviseli, melyben igen sok megengedett állapot lehetséges, de ezek nem állnak össze összefüggő energiasávokká.

Ahhoz, hogy a kvantumbezárás fellépjen, nem szükséges a részecske minden méretének kicsinek lenni, elegendő, ha némely mérete már a kvantumjelenségek tartományába esik. Ezért a kvázi-kétdimenziós szerkezetek, például a grafén, a kvázi-egydimenziós szerkezetek, például nanocsövek, nanopálcák, illetve a gyakorlatilag nulladimenziós kvantumpötty esetén is beszélhetünk bezárásról a szerkezet adott kiterjedései mentén.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Potential well című angol Wikipédia-szócikk Quantum confinement című fejezete ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

Szakkönyvek

• Charles Kittel: Bevezetés a szilárdtest-fizikába. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1981.  
• Haug, Hartmut. Quantum theory of the optical and electronic properties of semiconductors. Singapore u.a: World Scientific (1998). ISBN 978-981-02-2002-0 
• Cahay, M. Quantum confinement VI: nanostructured materials and devices : proceedings of the international symposium. Pennington, N.J: Electrochemical Society (2001). ISBN 978-1-56677-352-2 
• Thomas Ihn: Semiconductor Nanostructures: Quantum states and electronic transport. Oxford: Oxford University Press. 2009. ISBN 9780199534432  
• Sólyom Jenő: A modern szilárdtest-fizika alapjai II: Fémek, félvezetők, szupravezetők. Budapest: ELTE Eötvös Kiadó. 2010. ISBN 9789633120286  
• Rolf Koole et al.. Size Effects on Semiconductor Nanoparticles, Nanoparticles. Springer Berlin Heidelberg. DOI: 10.1007/978-3-662-44823-6_2 (2014). ISBN 978-3-662-44822-9 

Tudományos közlemények

• Delley, B., E. F. Steigmeier (1993. január 15.). „Quantum confinement in Si nanocrystals”. Physical Review B 47 (3), 1397–1400. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevb.47.1397. ISSN 0163-1829.  
• Park, Nae-Man, Chel-Jong Choi, Tae-Yeon Seong, Seong-Ju Park (2001. február 12.). „Quantum Confinement in Amorphous Silicon Quantum Dots Embedded in Silicon Nitride”. Physical Review Letters 86 (7), 1355–1357. o, Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevlett.86.1355. ISSN 0031-9007.  

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok

• P. C. Ku: Lecture 11 - Quantum Confinement (angol nyelven) (PDF). EECS 598-002 Winter 2006, Nanophotonics and Nano-scale Fabrication. (Hozzáférés: 2017. december 5.)
• Quantum confinement. phycomp.technion.ac.il. (Hozzáférés: 2017. december 5.)