I fili quantici o quantum wires unitamente ai punti quantici o quantum dots sono semiconduttori con due o più dimensioni fisiche dell’ordine di 10 nm o inferiori. I fili quantici rappresentano nanostrutture quasi unidimensionali (1D) presentando un rapporto lunghezza-larghezza di 1000 e oltre.
Essi mostrano comportamenti elettrici, ottici e chimici unici dovuti al confinamento dimensionale dei portatori di carica e alla presenza di stati superficiali che li rendono utili come elementi di dispositivi in numerose applicazioni come batterie, dispositivi piezoelettrici raccoglitori di energia, transistor ad effetto di campo, sensori e fotovoltaico.
I fili quantici consistono fondamentalmente nell’inclusione di un materiale semiconduttore con bandgap inferiore all’interno di un materiale matrice con band gap superiore pertanto in essi gli elettroni ovvero le lacune hanno la possibilità di muoversi esclusivamente nella direzione lungo la quale si sviluppa il filo, essendo confinati nelle due direzioni trasversali da un altro semiconduttore a 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 definite quando almeno una dimensione è inferiore a 100 nm. Questi materiali hanno proprietà straordinarie, come la loro resistenza, proprietà elettriche, ottiche e meccaniche, flessibilità e comportamento catalitico.
Le nanostrutture sono classificate come pozzo quantico se nella struttura solo una dimensione è dell’ordine delle nanodimensioni. Se due dimensioni sono dell’ordine nanometrico, la struttura viene definita filo quantico. Quando tutte e tre le dimensioni sono dell’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; in due dimensioni possono muoversi solo sul piano X–Y e in tre dimensioni possono muoversi nelle direzioni X, Y e Z
Le dimensioni ridotte delle nanostrutture portano a un’alterazione del loro comportamento pertanto la possibilità di controllarne le loro dimensioni consente di ottenere materiali con proprietà fisico-chimiche tali da consentire applicazioni innovative. Una delle maggiori conseguenze che si ha quando si riducono le dimensioni dei materiali su scala nanometrica è il confinamento nel movimento degli elettroni dovuto all’effetto di confinamento quantistico.
Ciò porta alla discretizzazione dei livelli energetici degli elettroni a seconda della dimensione del confinamento del materiale. La struttura risultante presenta interessanti nuove proprietà optoelettroniche, fisico-chimiche, meccaniche e magnetiche non mostrate dalle corrispondenti strutture dello stesso materiale di dimensioni ordinarie.
Fili quantici e effetti quantistici
Un aspetto interessante emerge quando i fili quantici, la cui lunghezza e la larghezza possono essere controllate, vengono utilizzati negli esperimenti di trasporto. Variando la larghezza si modifica il numero di modi di propagazione trasversale che contribuiscono alla conduttanza del filo.
Le proprietà di trasporto dei fili quantici sono influenzate dagli effetti quantistici in cui a causa delle dimensioni gli elettroni subiscono un confinamento quantistico nella direzione trasversale pertanto l’energia trasversale. In tali condizioni la resistenza elettrica R di un filo che è pari, secondo la fisica classica, a 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 energetici presenti nei materiali, la conduttanza elettrica che è l’inverso della resistenza è quantizzata in valori multipli di 2e2/h dove e è la carica dell’elettrone, h è la costante di Planck, dovuta al fisico tedesco Max Planck, e il fattore 2 è dovuto alla degenerazione dello spin.
La formula di Landauer, dovuta al fisico Rolf Landauer, mette in relazione la resistenza elettrica di un conduttore quantistico con le proprietà di diffusione del conduttore. Al variare della larghezza del filo, si prevede che la conduttanza in funzione della tensione di gate mostri una struttura a gradini con plateau quantizzati in unità di 2e2/h sebbene in alcune nuove ricerche tale valore si pari a 0.7e2/ ħ
Gli effetti dell’interazione elettrone-elettrone diventano più pronunciati quando la dimensione trasversale del filo quantistico è dell’ordine della lunghezza d’onda dell’elettrone e vi è un’unica modalità di propagazione. Il movimento degli elettroni lungo la dimensione longitudinale è virtualmente 1D e ciò porta a fenomeni nuovi.
Applicazioni
Sono stati sviluppati diversi tipi di fili quantici, tra cui quelli metallici, ad esempio Ni, Pt e Au, semiconduttori come Si, fosfuro di indio InP e nitruro di gallio GaN e isolanti ad esempio SiO2 e TiO2.
Dispositivi elettronici di base come diodi a giunzione, transistor, transistor a effetto di campo (FET) e porte logiche possono essere fabbricati utilizzando fili quantici semiconduttori e superreticoli. I fili quantici vengono sviluppati per applicazioni di sensori biomedici e per applicazioni bioelettriche-meccaniche, batterie, dispositivi piezoelettrici raccoglitori di energia, transistor ad effetto di campo, sensori e fotovoltaico.
I sistemi di raffreddamento termoelettrici, dispositivi che permettono di raffreddare in modo rapido, impiegando soltanto energia elettrica, ma senza l’utilizzo di gas, compressori o parti in movimento possono essere fabbricati utilizzando fili quantici metallici.
Le giunzioni di fili quantici semiconduttori possono essere utilizzate per diverse applicazioni optoelettroniche e gli array di nanofili magnetici hanno un alto potenziale per le applicazioni dei supporti di registrazione. Nelle applicazioni biotecnologiche, i fili quantici molecolari possono essere fabbricati utilizzando unità molecolari ripetitive sia organiche come, ad esempio, peptidi, RNA , DNA e zuccheri che molecole inorganiche come Mn6S9-xIx.