I fili quantici o quantum wires insieme ai punti quantici o quantum dots sono materiali semiconduttori con due o più dimensioni fisiche di circa 10 nm o meno. I fili quantici sono nanostrutture quasi unidimensionali (1D) con un rapporto lunghezza-larghezza di almeno 1000.
Questi materiali mostrano comportamenti elettrici, ottici e chimici unici a causa del confinamento dimensionale dei portatori di carica e della presenza di stati superficiali. Queste caratteristiche li rendono molto utili in diverse applicazioni come batterie, dispositivi piezoelettrici per la raccolta di energia, transistor ad effetto di campo, sensori e fotovoltaico.
I fili quantici sono costituiti principalmente dall’inclusione di un materiale semiconduttore con un bandgap più basso all’interno di un materiale matrice con un bandgap superiore. Di conseguenza, gli elettroni o le lacune in essi hanno solo la possibilità di muoversi lungo la direzione in cui il filo si sviluppa, poiché sono confinati nelle due direzioni trasversali da un altro semiconduttore con un gap di energia maggiore.
Lungo queste direzioni, il moto trasversale degli elettroni o delle lacune è quantizzato in livelli di energia discreti, che dipendono dall’altezza della barriera del potenziale di confinamento e dal diametro del filo quantico.
Nanostrutture e fili quantici
Le nanostrutture sono caratterizzate da almeno una dimensione inferiore a 100 nm. Questi materiali presentano proprietà eccezionali, come resistenza, proprietà elettriche, ottiche e meccaniche, flessibilità e comportamento catalitico.
Le nanostrutture possono essere classificate come pozzo quantico se solo una delle loro dimensioni è nell’ordine delle nanodimensioni. Se due dimensioni sono nell’ordine nanometrico, la struttura viene chiamata filo quantico. Se tutte e tre le dimensioni sono nell’ordine nanometrico, la struttura è chiamata punto quantico.
Nei nanomateriali a dimensione zero, il movimento degli elettroni è diverso in tutte e tre le direzioni. Gli elettroni possono muoversi solo nella direzione X in una dimensione, solo sul piano X-Y in due dimensioni e nelle direzioni X, Y e Z in tre dimensioni. Le dimensioni ridotte delle nanostrutture alterano il loro comportamento e la possibilità di controllarne le dimensioni consente di ottenere materiali con proprietà fisico-chimiche innovative.
Un effetto significativo quando si riducono le dimensioni dei materiali su scala nanometrica è il confinamento quantistico del movimento degli elettroni. Ciò porta alla discretizzazione dei livelli energetici degli elettroni in base alla dimensione del confinamento del materiale. Di conseguenza, la struttura risultante mostra nuove proprietà optoelettroniche, fisico-chimiche, meccaniche e magnetiche che non sono presenti nelle strutture corrispondenti dello stesso materiale di dimensioni ordinarie.
Fili quantici e effetti quantistici
Un aspetto interessante si manifesta quando i fili quantici vengono utilizzati negli esperimenti di trasporto, in cui la loro lunghezza e larghezza possono essere controllate. Variando la larghezza del filo, si può modificare il numero di modi di propagazione trasversale che contribuiscono alla sua conduttanza.
Le proprietà di trasporto dei fili quantici sono influenzate dagli effetti quantistici, in cui gli elettroni sono confinati in modo quantistico nella direzione trasversale, portando alla quantizzazione dell’energia trasversale. Di conseguenza, la resistenza elettrica di un filo, che secondo la fisica classica è data da R = ρl/A (dove ρ è la resistività, l è la lunghezza e A è la sezione trasversale del filo), non è più valida.
A causa della quantizzazione dell’energia degli elettroni, che occupano livelli energetici diversi dal tradizionale continuum di livelli o bande energetiche nei materiali, la conduttanza elettrica (l’inverso della resistenza) è quantizzata in valori multipli di 2e2/h (dove e è la carica dell’elettrone e h è la costante di Planck, nominata in onore del fisico tedesco Max Planck), con il fattore 2 che dipende dalla degenerazione dello spin degli elettroni.
La formula di Landauer, ideata da Rolf Landauer, stabilisce una relazione tra la resistenza elettrica di un conduttore quantistico e le sue proprietà di diffusione. Quando la larghezza del filo varia, si osserva che la conduttanza in funzione della tensione di gate presenta una struttura a gradini con plateau quantizzati in unità di 2e2/h, anche se alcune nuove ricerche hanno dimostrato che questo valore può essere pari a 0.7e2/ħ.
Gli effetti dell’interazione elettrone-elettrone diventano più significativi quando la dimensione trasversale del filo quantistico è simile alla lunghezza d’onda dell’elettrone e quando esiste una sola modalità di propagazione.
Il movimento degli elettroni lungo la dimensione longitudinale è virtualmente 1D, portando a fenomeni nuovi. Sono state sviluppate diverse tipologie di fili quantistici, tra cui quelli metallici come Ni, Pt e Au, semiconduttori come Si, InP e GaN, e isolanti come SiO2 e TiO2.
Dispositivi fondamentali come diodi a giunzione, transistor e transistor a effetto di campo (FET), così come porte logiche, possono essere prodotti utilizzando fili quantici semiconduttori e superreticoli. I fili quantici trovano applicazione nello sviluppo di sensori biomedici, dispositivi bioelettrici-meccanici, batterie, raccoglitori di energia piezoelettrica, transistor a effetto di campo, sensori e fotovoltaico.
I fili quantici metallici possono essere utilizzati per la fabbricazione di sistemi di raffreddamento termoelettrici, che consentono un raffreddamento rapido utilizzando solo energia elettrica, senza l’uso di gas, compressori o parti in movimento.
Le giunzioni di fili quantici semiconduttori trovano applicazione in diverse applicazioni optoelettroniche, mentre gli array di nanofili magnetici hanno un grande potenziale per le applicazioni di supporto di registrazione.
Nei settori biotecnologici, i fili quantici molecolari possono essere prodotti utilizzando unità molecolari ripetitive, sia organiche come peptidi, RNA, DNA e zuccheri, sia molecole inorganiche come Mn6S9-xIx.