Ein Quantentopf wird verwendet, um Elektronen auf bestimmte Energieniveaus zu beschränken. Quantenwells bestehen aus einem extrem dünnen Halbleiter mit kleiner Bandlücke, der zwischen Material mit einer größeren Bandlücke ruht. Sie sind extrem klein, normalerweise zwischen 1 und 20 Nanometer. Sie werden am häufigsten in Laserdioden und Infrarot-Bildgebung verwendet.
Dies nutzt gut die Eigenschaften des Elektronenverhaltens und der Bandlücken, um zu arbeiten. Bandlücken sind Bereiche in einem Orbital eines Elektrons zwischen dem Grundzustand, in dem Elektronen normal ruhen, und dem Leitungsband, in das sich Elektronen mit höheren Energieorbitalen bewegen, wenn sie angeregt werden. Die Lücken sind Barrieren zwischen den Grundzustandsbändern und Leitungsbändern, die verhindern, dass die Elektronen das Leitungsband erreichen, ohne mehr Energie zu gewinnen, als sie in ihren Grundzuständen haben. Je größer die Bandlücke ist, desto mehr Energie benötigen die Elektronen, um diese Lücke zu überspringen und das Leitungsband zu erreichen.
Sobald das Elektron das Leitungsband erreicht, gibt es seine überschüssige Energie ab und fällt in seinen Grundzustand zurück. Indem ein mikroskopisch dünner Halbleiter zwischen Material mit zu großen Bandlücken platziert wird, damit Elektronen leicht springen können, können Wissenschaftler die Elektronen zwingen, im zweidimensionalen Bereich des dünnen Halbleiters zu bleiben. Das Einfangen von Elektronen auf diese Weise ermöglicht eine spezifische Energiemanipulation.
Da sich die Elektronen nur in zwei Richtungen bewegen können, können sie nur die Energie erzeugen, die der Wissenschaftler oder Hersteller wünscht. Diese Energie wird auch in einem extrem schmalen Strom gebündelt. Aufgrund dieses Fokus erzeugen Quantentöpfe genaue Laser für optische Geräte. Ein bekanntes Beispiel für einen Quantentopf sind die Leselaser in CD-Spielern.
Quantenbrunnen werden nicht nur wegen ihres Verhaltens beim Einfangen von Elektronen wie ein Brunnen Wasser einfangen, sondern auch wegen ihres grafisch dargestellten Aussehens „Brunnen“ genannt. Wenn Quantentöpfe in Energie-Positions-Diagrammen dargestellt werden, sehen sie wie tiefe Täler oder Wells aus, oft in rechteckiger Form. Ein Quantentopf ist eine Art von Potenzialtopf, dh es gibt ein Potenzial für eine minimale, feste Energiemenge, die erzeugt werden muss.
Gewachsen statt erzeugt, besteht ein Quantentopf normalerweise aus einem Material wie Galliumarsenid, das von Aluminiumarsenid umgeben ist. Wells werden am häufigsten durch einen Prozess namens Molekularstrahlepitaxie gezüchtet, bei dem eine Effusionszelle verwendet wird, um Moleküle der Substanz auf eine Grundsubstanz zu schießen. Dieses Verfahren erzeugt bei jedem Brennen der Zelle eine einzelne Atomschicht des Well-Materials.