Daugybė naujų rodymo technologijų demonstruojama tarptautinėse parodose, tačiau ne visos jos yra perspektyvios arba turi tinkamų galimybių sėkmingai komerciškai įgyvendinti. Viena malonių išimčių – kvantinių taškų technologija, kuri jau naudojama LCD ekranų foniniame apšvietime. Apie šią techninę naujovę verta pakalbėti plačiau.

Kvantiniai taškai

Kvantiniai taškai yra puslaidininkinių medžiagų nanodalelės. Jų parametrus lemia jų dydžiai: mažėjant kristalo dydžiui atstumas tarp energijos lygių didėja. Kai elektronas juda į daugiau žemas lygis, išspinduliuojamas fotonas. Keisdami taško dydį, galite reguliuoti fotono energiją ir dėl to šviesos spalvą.

Tiesą sakant, tai nėra naujas atradimas, kvantiniai taškai buvo sukurti daugiau nei prieš trisdešimt metų. Tačiau dar visai neseniai jie buvo naudojami tik specialiuose moksliniai instrumentai laboratorijose. Griežtai tariant, kvantiniai taškai yra mikroskopiniai elementai, galintys skleisti šviesą siaurame bangos ilgio diapazone. Be to, priklausomai nuo jų dydžio, šviesa gali būti žalia, raudona arba mėlyna.

Keisdami jų dydį, galite tiksliai valdyti skleidžiamos šviesos bangos ilgį. Ši technologija, naudojama šiuolaikiniuose televizorių modeliuose, atsirado 2004 m., kai buvo įkurta QD Vision įmonė. Iš pradžių šios tyrimų laboratorijos darbuotojai, žymėdami įvairias biologines sistemas, bandė panaudoti organinius dažus pakeisti kvantiniais taškais, tačiau paskui nusprendė technologiją išbandyti televizoriuose.

Netrukus prie šios idėjos prisijungė ir žinomos įmonės. Visų pirma, 2010 m. mokslininkai kartu su LG dirbo įgyvendindami QLED projektą. Tačiau pati technologijos samprata, susijusi su LCD televizoriais, nuolatos buvo keičiama, kelis kartus keitėsi ir jos darbinis pavadinimas. Po metų, bendradarbiaujant su Samsung, buvo sukurtas spalvoto ekrano prototipas, paremtas kvantiniais taškais. Tačiau jis nesileido į serialus. Naujausias šios koncepcijos įgyvendinimas yra „Sony Color IQ“ technologijos dalis, kuri pristatė „Triluminos“ ekraną su apšvietimu.

Kaip žinote, visi LCD televizoriai sukuria vaizdą maišydami pagrindines spalvas – raudoną, žalią ir mėlyną (RGB modelis). Kartais pridedama geltona spalva, tačiau tai neturi didelės įtakos vaizdo kūrimo LCD ekrane sistemai. RGB spalvų maišymas LCD televizoriuose atliekamas naudojant spalvų filtrus ir į plazminės plokštės- dėka fosforo.

Klasikiniuose LCD modeliuose „balti“ šviesos diodai naudojami kaip apšvietimas. Balto spektro spalva, praeinanti per spalvų filtrus, suteikia tam tikrą atspalvį. Pažangesni modeliai naudoja fosforo šviesos diodus, kurie skleidžia šviesą mėlynoje srityje. Tada ši šviesa susimaišo su geltona ir tampa vizualiai balta. Norėdami sukurti ekrane iš panašių baltų spalvų, atitinkamai raudonos, mėlynos ir žalios, naudojami šviesos filtrai. Tai gana efektyvu, tačiau vis tiek eikvojama daug energijos. Be to, čia inžinieriai turi ieškoti tam tikro balanso tarp spalvų perteikimo kokybės ir foninio apšvietimo ryškumo.

Kvantinių taškų televizorių privalumai

Prieš dvejus metus „Sony“ pirmą kartą pristatė masinės gamybos televizorių modelius su „Triluminos“ foniniu apšvietimu, kuriuose realizuoti kvantiniai taškai. Tai visų pirma KD-65X9000A. Foninis apšvietimas naudoja mėlynus diodus, tačiau nėra geltono fosforo. Dėl to mėlyna šviesa, nesimaišant, tiesiogiai praeina per specialų IQ elementą, kuriame yra raudoni ir žali kvantiniai taškai. Gamintojas pagrindiniais technologijos pranašumais vadina gilesnį spalvų perteikimą ir ryškumo nuostolių sumažinimą.

Tikimasi, kad, palyginti su LED foniniu apšvietimu, kvantiniai taškai padidės spalvų gama beveik 50 proc. Naujųjų Sony televizorių su Triluminos foniniu apšvietimu spalvų gama yra beveik 100 % NTSC, o modeliuose su įprastu foniniu apšvietimu – apie 70 % NTSC. Taigi galima teigti, kad kvantinio taško foninio apšvietimo televizoriai iš tiesų gali pagerinti vaizdo kokybę, todėl spalvų atkūrimas tampa tikroviškesnis.

Bet kiek realiau? Juk žinoma, kad tuose pačiuose Sony televizoriuose vaizdas kuriamas naudojant įprastus filtrus, maišančius spalvas? Į šį klausimą atsakyti gana sunku, daug kas priklauso nuo subjektyvaus vaizdo kokybės suvokimo. Bet kokiu atveju laimingi pirmųjų Sony televizorių su nauju apšvietimu savininkai pastebi, kad vaizdas ekrane atrodo kaip paveikslas, nudažytas grynesnių spalvų dažais.

Tai, kad prie šios technologinės naujovės diegimo iškart prisijungė ir kitos lyderiaujančios įmonės, patvirtina faktą, kad kvantiniai taškai nėra vien tik rinkodaros triukas. „CES 2015“ parodoje „Samsung“ pristatė SUHD televizorius, kuriuose taip pat įdiegta panaši technologija. Pastebima, kad nauji televizoriai suteikia daugiau aukštos kokybės vaizdų už mažesnę kainą nei OLED modeliai. LG ULTRA HD parodoje taip pat pristatė televizorius su kvantinių taškų technologija (Quantum Dot).

Palyginimas su OLED nėra atsitiktinis. Juk daugelis įmonių pirmiausia kreipėsi į OLED technologiją kaip būdą pagerinti šiuolaikinių televizorių vaizdo kokybę, tačiau paleidus juos serijomis susidūrė su jų gamybos problemomis. Tai ypač pasakytina apie OLED televizorius su didelėmis ekrano įstrižainėmis ir itin didele raiška.

Kvantinių taškų pavidalu buvo rastas savotiškas atsarginis variantas - tokių televizorių spalvų gama yra beveik tokia pat gera, kaip ir OLED ekranuose, o pramoninės technologijos plėtros problemų praktiškai nėra. Tai leidžia įmonėms gaminti televizorius, kurie vaizdo kokybe konkuruos su OLED technologija ir išliks įperkami į platų ratą vartotojų.

Daugybė XX amžiaus antroje pusėje atsiradusių spektroskopinių metodų – elektronų ir atominių jėgų mikroskopija, branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija, masių spektrometrija – atrodytų, kad tradicinė optinė mikroskopija jau seniai „pasitraukė“. Tačiau sumanus fluorescencijos reiškinio panaudojimas ne kartą pratęsė „veterano“ gyvenimą. Šiame straipsnyje bus kalbama apie kvantiniai taškai(fluorescenciniai puslaidininkiniai nanokristalai), kurie optinei mikroskopijai įkvėpė naujos jėgos ir leido pažvelgti už liūdnai pagarsėjusios difrakcijos ribos. Unikalus fizines savybes Kvantiniai taškai daro juos idealiu įrankiu itin jautriai daugiaspalvei biologinių objektų registracijai, taip pat medicininei diagnostikai.

Darbas suteikia idėjų apie fizinius principus, apibrėžiantis unikalias kvantinių taškų savybes, pagrindines nanokristalų panaudojimo idėjas ir perspektyvas bei jau kalbama apie pasiekti pasiekimai jų pritaikymas biologijoje ir medicinoje. Straipsnis parengtas remiantis tyrimų, atliktų m pastaraisiais metais vardo Bioorganinės chemijos instituto Molekulinės biofizikos laboratorijoje. MM. Shemyakin ir Yu.A. Ovčinikova kartu su Reimso universitetu ir baltaruse Valstybinis universitetas, kuria siekiama sukurti naujos kartos biomarkerių technologiją įvairioms klinikinės diagnostikos sritims, įskaitant vėžį ir autoimunines ligas, taip pat sukurti naujų tipų nanojutiklius, leidžiančius vienu metu registruoti daugelį biomedicininių parametrų. Pirminė kūrinio versija buvo paskelbta Nature; tam tikru mastu straipsnis paremtas antruoju IBCh RAS jaunųjų mokslininkų tarybos seminaru. - Red.

I dalis, teorinė

1 pav. Diskretieji energijos lygiai nanokristaluose."Kietas" puslaidininkis ( paliko) turi valentinę juostą ir laidumo juostą, atskirtą juostos tarpu Pvz. Puslaidininkinis nanokristalas ( teisingai) pasižymi atskirais energijos lygiais, panašiais į vieno atomo energijos lygius. Nanokristale Pvz yra dydžio funkcija: nanokristalo dydžio padidėjimas lemia mažėjimą Pvz.

Sumažinus dalelių dydį, pasireiškia labai neįprastos medžiagos, iš kurios jis pagamintas, savybės. To priežastis – kvantiniai mechaniniai efektai, atsirandantys, kai krūvininkų judėjimas yra erdviškai apribotas: nešėjų energija tokiu atveju tampa diskreti. O energijos lygių skaičius, kaip moko kvantinė mechanika, priklauso nuo „potencialų šulinio“ dydžio, potencialo barjero aukščio ir krūvininko masės. Padidėjus „šulinėlio“ dydžiui, didėja energijos lygių skaičius, kurie vis labiau artėja vienas prie kito, kol susilieja ir energijos spektras tampa „vientisas“ (1 pav.). Krūvnešių judėjimas gali būti ribojamas išilgai vienos koordinatės (sudarant kvantines plėveles), išilgai dviejų koordinačių (kvantinių laidų ar gijų) arba visomis trimis kryptimis – tai bus kvantiniai taškai(KT).

Puslaidininkiniai nanokristalai yra tarpinės struktūros tarp molekulinių grupių ir „kietųjų“ medžiagų. Ribos tarp molekulinių, nanokristalinių ir kietųjų medžiagų nėra aiškiai apibrėžtos; tačiau 100 ÷ 10 000 atomų diapazonas vienoje dalelėje gali būti preliminariai laikomas nanokristalų „viršutine riba“. Viršutinė riba atitinka dydžius, kurių intervalas tarp energijos lygių viršija šiluminių virpesių energiją kT (k- Boltzmanno konstanta, T- temperatūra), kai krūvininkai tampa mobilūs.

Natūralų ilgio skalę elektroninio sužadinimo sritims „nepertraukiamuose“ puslaidininkiuose lemia Boro eksitono spindulys a x, kuris priklauso nuo Kulono sąveikos tarp elektronų ( e) Ir skylė (h). Nanokristaluose tokio dydžio a x pats dydis pradeda daryti įtaką poros konfigūracijai e-h taigi ir eksitono dydis. Pasirodo, šiuo atveju elektronines energijas tiesiogiai lemia nanokristalo dydis – šis reiškinys žinomas kaip „kvantinės izoliacijos efektas“. Naudojant šį efektą, galima reguliuoti nanokristalo juostos tarpą ( Pvz), tiesiog pakeisdami dalelių dydį (1 lentelė).

Unikalios kvantinių taškų savybės

Kaip fizinis objektas, kvantiniai taškai buvo žinomi gana seniai ir yra viena iš šiandien intensyviai plėtojamų formų. heterostruktūros. Koloidinių nanokristalų pavidalo kvantinių taškų ypatumas yra tas, kad kiekvienas taškas yra izoliuotas ir mobilus objektas, esantis tirpiklyje. Iš tokių nanokristalų galima konstruoti įvairius asocijuotus, hibridus, sutvarkytus sluoksnius ir pan., kurių pagrindu konstruojami elektroninių ir optoelektroninių prietaisų elementai, zondai ir jutikliai, skirti analizei mikrotūriuose medžiagos, įvairūs fluorescenciniai, chemiliuminescenciniai ir fotoelektrocheminiai nanodydžio jutikliai. .

Priežastis, kodėl puslaidininkiniai nanokristalai greitai prasiskverbia į įvairius skirtingos sritys mokslas ir technologijos yra jų unikalios optinės charakteristikos:

• siaura simetriška fluorescencijos smailė (skirtingai nuo organinių dažų, kuriems būdinga ilgos bangos „uodega“; 2 pav. paliko), kurio padėtis valdoma pasirenkant nanokristalų dydį ir jo sudėtį (3 pav.);
• plati žadinimo juosta, leidžianti sužadinti skirtingų spalvų nanokristalus vienu spinduliavimo šaltiniu (2 pav. paliko). Šis pranašumas yra esminis kuriant daugiaspalves kodavimo sistemas;
• didelis fluorescencinis ryškumas, nulemtas didelės ekstinkcijos vertės ir didelės kvantinės išeigos (CdSe/ZnS nanokristalams - iki 70%);
• išskirtinai didelis fotostabilumas (2 pav., teisingai), leidžianti naudoti didelės galios sužadinimo šaltinius.

2 pav. Spektrinės savybės kadmio-seleno (CdSe) kvantiniai taškai. Kairė:Įvairių spalvų nanokristalai gali būti sužadinami vienu šaltiniu (rodyklė rodo sužadinimą argono lazeriu, kurio bangos ilgis yra 488 nm). Įdėklas rodo vieno šviesos šaltinio (UV lempos) sužadintų skirtingų dydžių (ir atitinkamai spalvų) CdSe / ZnS nanokristalų fluorescenciją. Teisingai: Kvantiniai taškai yra ypač fotostablūs, palyginti su kitais įprastais dažikliais, kurie fluorescenciniame mikroskope greitai sunaikinami gyvsidabrio lempos spinduliu.

3 pav. Kvantinių taškų savybės iš skirtingos medžiagos. Aukščiau: Nanokristalų, pagamintų iš skirtingų medžiagų, fluorescencijos diapazonai. Apačia:Įvairių dydžių CdSe kvantiniai taškai apima visą matomą 460–660 nm diapazoną. Apačioje dešinėje: Stabilizuoto kvantinio taško diagrama, kur „šerdis“ padengta puslaidininkiniu apvalkalu ir apsauginiu polimero sluoksniu.

Priėmimo technologija

Nanokristalų sintezė atliekama greitai suleidžiant pirmtakų junginius į reakcijos terpę. aukšta temperatūra(300–350 °C) ir vėlesnis lėtas nanokristalų augimas santykinai žemoje temperatūroje (250–300 °C). „Fusavimo“ sintezės režimu mažų dalelių augimo greitis yra didesnis nei didelių, dėl to mažėja nanokristalų dydžių sklaida.

Valdomos sintezės technologija leidžia valdyti nanodalelių formą naudojant nanokristalų anizotropiją. Konkrečiai medžiagai būdinga kristalų struktūra (pavyzdžiui, CdSe pasižymi šešiakampiu įpakavimu - wurtzite, 3 pav.) tarpininkauja „pageidautinoms“ augimo kryptims, kurios lemia nanokristalų formą. Taip gaunami nanorodeliai arba tetrapodai – keturiomis kryptimis pailginti nanokristalai (4 pav.).

4 pav. Skirtinga forma CdSe nanokristalai. Kairė: CdSe/ZnS sferiniai nanokristalai (kvantiniai taškai); centre: lazdelės formos (kvantinės lazdelės). Teisingai: tetrapodų pavidalu. (Perdavimo elektronų mikroskopija. Ženklas – 20 nm.)

Praktinio taikymo kliūtys

Nanokristalų iš II–VI grupių puslaidininkių praktiniam pritaikymui yra daug apribojimų. Pirma, jų liuminescencijos kvantinė išeiga labai priklauso nuo aplinkos savybių. Antra, nanokristalų „branduolių“ stabilumas vandeniniai tirpalai taip pat mažas. Problema slypi paviršiaus „defektuose“, kurie atlieka neradiacinių rekombinacijos centrų arba susijaudinimo „spąstų“ vaidmenį. e-h garai.

Norint išspręsti šias problemas, kvantiniai taškai yra įdėmi į apvalkalą, sudarytą iš kelių sluoksnių plataus tarpo medžiagos. Tai leidžia jums izoliuoti e-h suporuoti branduolyje, pailginti jo gyvavimo trukmę, sumažinti neradiacinę rekombinaciją, todėl padidėja kvantinė fluorescencijos ir fotostabilumo išeiga.

Šiuo atžvilgiu iki šiol plačiausiai naudojami fluorescenciniai nanokristalai turi šerdies/apvalkalo struktūrą (3 pav.). Sukurtos CdSe/ZnS nanokristalų sintezės procedūros leidžia pasiekti 90 % kvantinę išeigą, kuri yra artima geriausiems organiniams fluorescenciniams dažams.

II dalis: Kvantinių taškų taikymas koloidinių nanokristalų pavidalu

Fluoroforai medicinoje ir biologijoje

Unikalios QD savybės leidžia juos naudoti beveik visose biologinių objektų žymėjimo ir vizualizavimo sistemose (išskyrus tik fluorescencines intracelulines etiketes, genetiškai išreikštus – gerai žinomus fluorescencinius baltymus).

Norint vizualizuoti biologinius objektus ar procesus, QD gali būti įvedami į objektą tiesiogiai arba su „susiūtomis“ atpažinimo molekulėmis (dažniausiai antikūnais arba oligonukleotidais). Nanokristalai prasiskverbia ir pasiskirsto visame objekte pagal savo savybes. Pavyzdžiui, skirtingų dydžių nanokristalai įvairiai prasiskverbia pro biologines membranas, o kadangi dydis lemia fluorescencijos spalvą, skirtingos objekto sritys taip pat yra nevienodos spalvos (5 pav.). Atpažinimo molekulių buvimas nanokristalų paviršiuje leidžia tikslingai surišti: norimas objektas (pavyzdžiui, auglys) nudažytas tam tikra spalva!

5 pav. Daiktų spalvinimas. Kairė: daugiaspalvis konfokalinis fluorescencinis kvantinių taškų pasiskirstymo vaizdas ląstelių citoskeleto ir branduolio mikrostruktūros fone žmogaus fagocitų THP-1 ląstelėse. Nanokristalai ląstelėse išlieka fotostabilūs mažiausiai 24 valandas ir nesukelia ląstelių struktūros ir funkcijos sutrikimų. Teisingai: su RGD peptidu „susiejusių“ nanokristalų kaupimasis naviko srityje (rodyklė). Dešinėje yra kontrolė, buvo įvesti nanokristalai be peptido (CdTe nanokristalai, 705 nm).

Spektrinis kodavimas ir „skystos mikroschemos“

Kaip jau minėta, nanokristalų fluorescencijos smailė yra siaura ir simetriška, todėl galima patikimai izoliuoti skirtingų spalvų nanokristalų fluorescencijos signalą (matomame diapazone iki dešimties spalvų). Priešingai, nanokristalų sugerties juosta yra plati, tai yra, visų spalvų nanokristalai gali būti sužadinti vienu šviesos šaltiniu. Dėl šių savybių, taip pat dėl ​​didelio fotostabilumo, kvantiniai taškai yra idealūs fluoroforai įvairiaspalviam objektų spektriniam kodavimui – panašūs į brūkšninį kodą, bet naudojant daugiaspalvius ir „nematomus“ kodus, kurie fluorescuoja infraraudonųjų spindulių srityje.

Šiuo metu vis dažniau vartojamas terminas „skystos mikroschemos“, leidžiančios, kaip ir klasikinės plokščios lustos, kuriose aptikimo elementai yra plokštumoje, vienu metu, naudojant mėginio mikrotūrius, atlikti daugelio parametrų analizę. Spektrinio kodavimo, naudojant skystąsias mikroschemas, principas pavaizduotas 6 paveiksle. Kiekviename mikroschemos elemente yra nurodyti kiekiai tam tikrų spalvų QD, o užkoduotų parinkčių skaičius gali būti labai didelis!

6 pav. Spektrinio kodavimo principas. Kairė:„įprasta“ plokščia mikroschema. Teisingai:„skysta mikroschema“, kurios kiekviename elemente yra nurodytas tam tikrų spalvų QD kiekis. At n fluorescencijos intensyvumo lygiai ir m spalvų, teorinis užkoduotų parinkčių skaičius yra n m−1. Taigi, 5–6 spalvų ir 6 intensyvumo lygių atveju tai bus 10 000–40 000 parinkčių.

Tokie užkoduoti mikroelementai gali būti naudojami tiesioginiam bet kokių objektų (pavyzdžiui, vertybinių popierių) žymėjimui. Įterptos į polimerines matricas, jos yra itin stabilios ir patvarios. Kitas taikymo aspektas – biologinių objektų identifikavimas kuriant ankstyvosios diagnostikos metodus. Indikacijos ir identifikavimo metodas yra toks, kad prie kiekvieno spektriniu būdu koduoto mikroschemos elemento yra prijungta specifinė atpažinimo molekulė. Tirpale yra antroji atpažinimo molekulė, prie kurios „prisiūtas“ signalinis fluoroforas. Mikroschemos fluorescencijos ir signalo fluoroforo atsiradimas vienu metu rodo tiriamo objekto buvimą analizuojamame mišinyje.

Srauto citometrija gali būti naudojama koduotoms mikrodalelėms analizuoti prisijungus. Tirpalas, kuriame yra mikrodalelių, praeina per lazeriu apšvitintą kanalą, kuriame kiekviena dalelė apibūdinama spektriniu būdu. Prietaiso programinė įranga leidžia nustatyti ir apibūdinti įvykius, susijusius su tam tikrų junginių atsiradimu mėginyje, pavyzdžiui, vėžio ar autoimuninių ligų žymenys.

Ateityje mikroanalizatoriai gali būti sukurti remiantis puslaidininkiniais fluorescenciniais nanokristalais, kad būtų galima nedelsiant įrašyti vienu metu didžiulis skaičius objektų.

Molekuliniai jutikliai

Naudojant QD kaip zondus, galima išmatuoti aplinkos parametrus vietinėse vietovėse, kurių dydis yra panašus į zondo dydį (nanometro skalė). Tokių matavimo priemonių veikimas pagrįstas Förster efekto panaudojimu neradiacinio rezonansinio energijos perdavimo (Förster resonanse energy transfer – FRET). FRET efekto esmė ta, kad kai du objektai (donoras ir akceptorius) artėja ir persidengia fluorescencijos spektras pirmiausia nuo sugerties spektras antra, energija perduodama ne spinduliuote – ir jei akceptorius gali fluorescuoti, jis švytės dvigubai stipriau.

Apie FRET efektą jau rašėme straipsnyje “ Ruletė spektroskopuotojui » .

Trys kvantinių taškų parametrai daro juos labai patraukliais donorais FRET formato sistemose.

1. Galimybė labai tiksliai pasirinkti emisijos bangos ilgį, kad būtų pasiektas maksimalus donoro emisijos spektrų ir akceptoriaus sužadinimo sutapimas.
2. Galimybė sužadinti skirtingus QD tuo pačiu vieno šviesos šaltinio bangos ilgiu.
3. Sužadinimo galimybė spektrinė sritis, toli nuo emisijos bangos ilgio (skirtumas >100 nm).

Yra dvi FRET efekto naudojimo strategijos:

• dviejų molekulių sąveikos akto registravimas dėl konformacinių pokyčių donoro-akceptoriaus sistemoje ir
• donoro ar akceptoriaus optinių savybių (pavyzdžiui, sugerties spektro) pokyčių registravimas.

Šis metodas leido įdiegti nano dydžio jutiklius pH ir metalo jonų koncentracijai matuoti vietiniame mėginio regione. Jautrus elementas Tokiame jutiklyje yra indikatorinių molekulių sluoksnis, kuris, susijungęs su aptiktu jonu, keičia optines savybes. Dėl surišimo pasikeičia QD fluorescencinių spektrų ir indikatoriaus sugerties spektrų persidengimas, o tai taip pat keičia energijos perdavimo efektyvumą.

Metodas, naudojant konformacinius pokyčius donoro-akceptoriaus sistemoje, įgyvendinamas nanoskalės temperatūros jutiklyje. Jutiklio veikimas pagrįstas polimero molekulės, jungiančios kvantinį tašką ir akceptorių – fluorescencijos gesintuvą, formos temperatūros pokyčiu. Keičiantis temperatūrai, kinta ir atstumas tarp gesintuvo ir fluoroforo, ir fluorescencijos, iš kurios daroma išvada apie temperatūrą, intensyvumas.

Molekulinė diagnostika

Ryšio tarp donoro ir akceptoriaus nutrūkimas arba susidarymas gali būti aptiktas tokiu pačiu būdu. 7 paveiksle parodytas „sumuštinio“ registracijos principas, kai registruotas objektas veikia kaip jungiamoji grandis („adapteris“) tarp donoro ir akceptoriaus.

7 pav. Registracijos naudojant FRET formatą principas. Susidarius konjugatui („skystas mikroschema“) (registruotas objektas) (signalo fluoroforas) donoras (nanokristalas) priartėja prie akceptoriaus („AlexaFluor“ dažų). Pati lazerio spinduliuotė nesužadina dažų fluorescencijos; fluorescencinis signalas atsiranda tik dėl rezonansinės energijos perdavimo iš CdSe/ZnS nanokristalo. Kairė: konjugato su energijos perdavimu struktūra. Teisingai: dažų sužadinimo spektrinė diagrama.

Šio metodo įgyvendinimo pavyzdys yra autoimuninės ligos diagnostikos rinkinio sukūrimas sisteminė sklerodermija(sklerodermija). Čia donoras buvo kvantiniai taškai, kurių fluorescencijos bangos ilgis yra 590 nm, o akceptorius buvo organinis dažiklis - AlexaFluor 633. Ant mikrodalelės, kurioje yra kvantinių taškų, paviršiaus buvo „prisiūtas“ antigenas prieš autoantikūną – sklerodermijos žymeklį. Į tirpalą buvo įvesti antriniai antikūnai, pažymėti dažais. Nesant taikinio, dažai nesiartina prie mikrodalelės paviršiaus, nevyksta energijos perdavimas ir dažai nefluorescuoja. Bet jei mėginyje atsiranda autoantikūnų, susidaro mikrodalelių-autoantikūnų ir dažų kompleksas. Dėl energijos perdavimo dažai sužadinami, o spektre pasirodo jo fluorescencinis signalas, kurio bangos ilgis yra 633 nm.

Šio darbo svarba taip pat yra ta, kad autoantikūnai gali būti naudojami kaip diagnostiniai žymenys labai ankstyvose autoimuninių ligų vystymosi stadijose. „Skystos mikroschemos“ leidžia sukurti bandymų sistemas, kuriose antigenai yra daug natūralesnėmis sąlygomis nei plokštumoje (kaip „įprastose“ mikroschemose). Jau gauti rezultatai atveria kelią naujo tipo klinikinių diagnostinių testų, pagrįstų kvantinių taškų naudojimu, sukūrimui. Ir metodų, pagrįstų spektriniu būdu koduotų skystų mikroschemų naudojimu, įgyvendinimas leis vienu metu nustatyti daugelio žymenų turinį vienu metu, o tai yra pagrindas žymiai padidinti diagnostikos rezultatų patikimumą ir plėtoti ankstyvos diagnostikos metodus. .

Hibridiniai molekuliniai prietaisai

Galimybė lanksčiai valdyti spektrines charakteristikas Kvantiniai taškai atveria kelią nanoskalės spektriniams įrenginiams. Visų pirma, kadmio ir teliūro (CdTe) pagrindu pagaminti QD leido išplėsti spektrinį jautrumą bakteriorodopsinas(bP), žinomas dėl savo gebėjimo naudoti šviesos energiją protonams perpumpuoti per membraną. (Gautas elektrocheminis gradientas yra naudojamas bakterijoms sintetinti ATP.)

Tiesą sakant, buvo gauta nauja hibridinė medžiaga: kvantinių taškų pritvirtinimas prie violetinė membrana- lipidinė membrana, kurioje yra tankiai supakuotų bakteriorodopsino molekulių - išplečia šviesos jautrumo diapazoną UV ir mėlynoms spektro sritims, kur „įprastas“ bP nesugeria šviesos (8 pav.). Energijos perdavimo bakteriorodopsinui mechanizmas iš kvantinio taško, kuris sugeria šviesą UV ir mėlynos spalvos srityse, vis dar yra tas pats: tai FRET; Radiacijos akceptorius šiuo atveju yra tinklainės- tas pats pigmentas, kuris veikia fotoreceptoriuje rodopsine.

8 pav. Bakteriorodopsino „atnaujinimas“ naudojant kvantinius taškus. Kairė: proteoliposoma, turinti bakteriorodopsino (trimerų pavidalu) su CdTe pagrindu „prisiūtais“ kvantiniais taškais (parodyta oranžinėmis sferomis). Teisingai: bR spektrinio jautrumo išplėtimo dėl KT schema: spektro sritis perėmimų QD yra UV ir mėlynoje spektro dalyse; spektras išmetamųjų teršalų galima „sureguliuoti“ pasirenkant nanokristalo dydį. Tačiau šioje sistemoje energija neišspinduliuojama kvantiniais taškais: energija nespinduliuojančiai migruoja į bakteriorodopsiną, kuris veikia (siurbia H + jonus į liposomą).

Tokios medžiagos pagrindu sukurtos proteoliposomos (lipidinės „pūslelės“, turinčios hibridą bP-QD), apšviestos pumpuoja į save protonus, efektyviai sumažindamos pH (8 pav.). Šis, atrodytų, nereikšmingas išradimas ateityje gali tapti optoelektroninių ir fotoninių prietaisų pagrindu ir rasti pritaikymą elektros energijos ir kitų tipų fotoelektrinių konversijų srityje.

Apibendrinant, reikia pabrėžti, kad koloidinių nanokristalų pavidalo kvantiniai taškai yra perspektyviausi nano-, bionano- ir biovario-nanotechnologijų objektai. Po to, kai 1998 m. pirmą kartą buvo pademonstruotos kvantinių taškų, kaip fluoroforų, galimybės, kelerius metus buvo užliūlis, susijęs su naujų originalių požiūrių į nanokristalų naudojimą formavimu ir galimų šių unikalių objektų galimybių suvokimu. Tačiau pastaraisiais metais pastebimas staigus pakilimas: idėjų sankaupa ir jų įgyvendinimas lėmė proveržį kuriant naujus prietaisus ir įrankius, pagrįstus puslaidininkinių nanokristalinių kvantinių taškų panaudojimu biologijoje, medicinoje, elektroninėje inžinerijoje, naudoti saulės energija ir daugelis kitų. Žinoma, šiame kelyje dar yra daug neišspręstų problemų, tačiau augantis susidomėjimas, didėjantis komandų, dirbančių su šiomis problemomis, skaičius, vis daugiau šiai sričiai skirtų publikacijų leidžia tikėtis, kad kvantiniai taškai taps pagrindu naujos kartos įranga ir technologijos.

V. A. kalbos vaizdo įrašas Oleynikova antrajame IBCh RAS Jaunųjų mokslininkų tarybos seminare, vykusiame 2012 m. gegužės 17 d.

Literatūra

1. Oleynikovas V.A. (2010). Kvantiniai taškai biologijoje ir medicinoje. Gamta. 3 , 22;
2. Oleynikovas V.A., Sukhanova A.V., Nabievas I.R. (2007). Fluorescenciniai puslaidininkiniai nanokristalai biologijoje ir medicinoje. Rusijos nanotechnologijos. 2 , 160–173;
3. Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme'as Devy, Michailas Artemjevas, Vladimiras Oleinikovas ir kt. al.. (2002). Labai stabilūs fluorescenciniai nanokristalai kaip nauja etikečių klasė, skirta parafino įterptų audinių sekcijų imunohistocheminei analizei. Lab Invest. 82 , 1259-1261;
4. C. B. Murray, D. J. Norrisas, M. G. Bawendi. (1993). Beveik monodispersinių CdE (E = siera, selenas, telūras) puslaidininkių nanokristalitų sintezė ir apibūdinimas. J. Am. Chem. Soc.. 115 , 8706-8715;
5. Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Ryškūs UV-mėlyna liuminescenciniai koloidiniai ZnSe nanokristalai. J. Phys. Chem. B. 102 , 3655-3657;
6. Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Koloidinių puslaidininkinių nanokristalų formos valdymas. J. Klast. Sci. 13 , 521–532;
7. Fluorescencinė Nobelio chemijos premija;
8. Igoris Nabievas, Siobhanas Mitchellas, Anthony Daviesas, Yvonne Williams, Dermotas Kelleheris ir kt. al.. (2007). Nefunkcionalizuoti nanokristalai gali išnaudoti aktyvią ląstelės transportavimo mašiną, pristatydami juos į konkrečius branduolinius ir citoplazminius skyrius. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
9. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell ir kt. al.. (2009). Ląstelių tipui būdingų tarpląstelinių nanoskalės barjerų zondavimas naudojant pagal dydį sureguliuotus kvantinius taškus nano-pH matuoklį;
10. Alyona Sukhanova, Andrejus S. Susha, Alpanas Bekas, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach ir kt. al.. (2007). Nanokristalais užkoduoti fluorescenciniai mikrokaroliukai proteomikai: antikūnų profiliavimas ir autoimuninių ligų diagnostika. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
11. Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukaševas, Vladimiras Oleinikovas ir kt. al.. (2010). Rezonanso energijos perdavimas pagerina bakteriorodopsino biologinę funkciją hibridinėje medžiagoje, pagamintoje iš purpurinių membranų ir puslaidininkinių kvantinių taškų. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;

„Nanotechnologija“ yra žodis su sudėtinga istorija o kontekstas rusų kalba, deja, šiek tiek diskredituotas. Tačiau, jei nepaisysime ironiškų socialinių ir ekonominių poteksčių, galime teigti, kad pastaraisiais metais nanotechnologijos iš mokslinės ir teorinės koncepcijos pradėjo vystytis į formas, kurios artimiausioje ateityje gali tapti tikrais komerciniais produktais ir patekti į mūsų gyvenimą.

Puikus to pavyzdys – kvantiniai taškai. Technologijos, naudojančios puslaidininkines nanodaleles, pamažu visiškai pritaikomos įvairiose srityse: medicina, spauda, ​​fotoelektra, elektronika – dalis gaminių vis dar egzistuoja prototipų lygyje, kai kur technologija buvo iš dalies įdiegta, o dalis jau praktiškai naudojama.

Taigi, kas yra „kvantinis taškas“ ir su kuo jis valgomas?

Kvantinis taškas yra neorganinis nanokristalas puslaidininkinė medžiaga(silicis, indžio fosfidas, kadmio selenidas). „Nano“ reiškia matuojamas dalimis milijardui, o tokių kristalų dydžiai svyruoja nuo 2 iki 10 nanometrų. Dėl mažo dydžio nanodalelėse esantys elektronai elgiasi labai skirtingai nei tūriniuose puslaidininkiuose.

Kvantinio taško energijos spektras yra nevienalytis, jis turi atskirus energijos lygius elektronui (neigiamai įkrautai dalelei) ir skylei. Puslaidininkiuose esanti skylė vadinama neužpildyta skyle. valentiniu ryšiu, vežėjas teigiamas krūvis skaitine prasme lygus elektronui, atsiranda, kai nutrūksta ryšys tarp branduolio ir elektrono.

Jei susidaro sąlygos, kurioms esant kristale esantis krūvininkas juda iš lygio į lygį, tai šio perėjimo metu išspinduliuojamas fotonas. Keisdami dalelių dydį, galite valdyti šios spinduliuotės sugerties dažnį ir bangos ilgį. Praktiškai tai reiškia, kad priklausomai nuo taško dalelių dydžio, apšvitinus jie švytės skirtingomis spalvomis.

Galimybė kontroliuoti spinduliuotės bangos ilgį per dalelių dydį leidžia gauti stabilias medžiagas iš kvantinių taškų, kurios paverčia jų sugeriamą energiją į šviesos spinduliuotę – fotostabilius fosforus.

Kvantiniais taškais pagrįsti sprendimai yra pranašesni už tradicinius organinius ir neorganinius fosforus daugeliu parametrų, kurie yra svarbūs praktiniams pritaikymams, kuriems reikalinga tiksli, derinama liuminescencija.

Kvantinių taškų pranašumai:

• Fotostabilus, fluorescencines savybes išlaiko keletą metų.
• Didelis atsparumas fotoblukimui: 100–1000 kartų didesnis nei organinių fluoroforų.
• Didelė kvantinė fluorescencijos išeiga – iki 90%.
• Platus sužadinimo spektras: nuo UV iki IR (400 – 200 nm).
• Didelis spalvos grynumas dėl didelių fluorescencijos smailių (25-40 nm).
• Didelis atsparumas cheminiam skilimui.

Kitas privalumas, ypač spausdinant, yra tas, kad iš kvantinių taškų galima gaminti solus – labai dispersines koloidines sistemas su skysta terpe, kurioje pasiskirsto mažos dalelės. Tai reiškia, kad jie gali būti naudojami gaminant sprendimus, tinkamus rašaliniam spausdinimui.

Kvantinių taškų taikymo sritys:

Dokumentų ir gaminių apsauga nuo klastojimo: vertybiniai popieriai, banknotai, asmens tapatybės kortelės, antspaudai, antspaudai, sertifikatai, sertifikatai, plastikinės kortelės, prekių ženklai. Daugiaspalvė kodavimo sistema, pagrįsta kvantiniais taškais, gali būti komerciškai paklausa maisto, farmacijos, chemijos pramonės gaminių, papuošalų ir meno kūrinių spalviniam žymėjimui.

Dėl to, kad skystas pagrindas gali būti vandens pagrindu arba kietinamas UV spinduliais, naudojant rašalą kvantiniais taškais galima pažymėti beveik bet kokį objektą - popieriui ir kitiems sugeriamiesiems pagrindams - vandens pagrindo rašalas, o nesugeriantiems (stiklo) , mediena, metalas, sintetiniai polimerai , kompozitai) – UV rašalas.

Žymeklis medicininiuose ir biologiniuose tyrimuose. Kadangi kvantinių taškų paviršiuje gali būti naudojami biologiniai žymenys, DNR ir RNR fragmentai, reaguojantys į tam tikro tipo ląsteles, jie gali būti naudojami kaip kontrastas atliekant biologinius tyrimus ir diagnozuojant vėžį ankstyvosiose stadijose. , kai navikas dar neaptiktas standartiniais diagnostikos metodais.

Kvantinių taškų naudojimas kaip fluorescencinės etiketės auglio ląstelėms tirti in vitro yra vienas perspektyviausių ir greičiausių. besivystančiose srityse kvantinių taškų pritaikymas biomedicinoje.

Masinis įgyvendinimasŠiai technologijai trukdo tik kvantinių taškų kontrastų naudojimo invivo tyrimuose saugumo klausimas, nes dauguma Jie pagaminti iš labai toksiškų medžiagų, o jų dydžiai yra tokie maži, kad lengvai prasiskverbia pro bet kokį kūno barjerą.

Kvantinių taškų ekranai: QLED – LCD ekranų su LED foniniu apšvietimu kūrimo naudojant kvantinius taškus technologija jau išbandyta pirmaujančių elektronikos gamintojų. Šios technologijos naudojimas leidžia sumažinti ekrano energijos sąnaudas, padidinti šviesos srautą lyginant su LED ekranais 25-30 proc. sodrios spalvos, aiškus spalvų perteikimas, spalvų gylis, galimybė padaryti ekranus itin plonus ir lanksčius.

Pirmojo ekrano, naudojančio šią technologiją, prototipą „Samsung“ pristatė 2011 m. vasario mėn., o pirmąjį kompiuterio ekraną išleido „Philips“.

Jis naudoja kvantinius taškus, kad iš mėlynų šviesos diodų spinduliuotės spektro išgautų raudoną ir žalią spalvas, o tai užtikrina artimą natūralių spalvų perteikimą. 2013 metais Sony išleido QLED ekraną, kuris veikia tuo pačiu principu. IN dabartinis momentasŠi didelių ekranų gamybos technologija nėra plačiai naudojama dėl didelių gamybos sąnaudų.

Kvantinis taškinis lazeris. Lazeris, kurio darbo terpė yra kvantiniai taškai spinduliavimo srityje, turi nemažai pranašumų, palyginti su tradiciniais puslaidininkiniais lazeriais, pagrįstais kvantiniais šuliniais. Jie turi geresnes charakteristikas pagal dažnių juostą, triukšmo intensyvumą, jie mažiau jautrūs temperatūros pokyčiams.

Dėl to, kad kvantinio taško sudėties ir dydžio keitimas leidžia valdyti aktyvi terpė Toks lazeris leido dirbti bangų ilgiais, kurie anksčiau buvo nepasiekiami. Ši technologija aktyviai naudojama medicinoje, jos pagalba buvo sukurtas lazerinis skalpelis.

Energija

Taip pat buvo sukurti keli plonasluoksnių saulės elementų modeliai, pagrįsti kvantiniais taškais. Jie pagrįsti tokiu veikimo principu: šviesos fotonai atsitrenkia į fotovoltinę medžiagą, kurioje yra kvantinių taškų, skatinant elektrono ir skylės poros atsiradimą, kurių energija yra lygi arba didesnė už mažiausią energiją, reikalingą elektronui. duotas puslaidininkis, norint pereiti iš surištos būsenos į laisvąją. Keičiant medžiagos nanokristalų dydį, galima keisti fotovoltinės medžiagos „energinį naudingumą“.

Remiantis šiuo principu, jau buvo sukurti keli originalūs veikiantys prototipai. įvairių tipų saulės kolektorių.

2011 m. Notre Dame universiteto mokslininkai pasiūlė titano dioksido pagrindu pagamintus „saulės dažus“, kuriuos užtepus bet koks objektas galėtų tapti saulės elementu. Jis turi gana mažą efektyvumą (tik 1%), tačiau yra pigus gaminti ir gali būti gaminamas dideliais kiekiais.

Masačusetso mokslininkai 2014 m Technologijos institutas pristatė saulės elementų gamybos iš itin plonų kvantinių taškų sluoksnių metodą, jų kūrimo efektyvumas siekia 9 proc., o pagrindinės žinios slypi kvantinių taškų sujungimo į plėvelę technologijoje.

2015 m. Los Alamos pažangios saulės fotovoltinės laboratorijos centras pasiūlė 3,2 % efektyvumo langų saulės elementų projektą, sudarytą iš skaidraus liuminescencinio kvantinio koncentratoriaus, kuris galėtų užimti pakankamai didelis plotas, ir kompaktiški saulės fotoelementai.

Tačiau Amerikos nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos (NREL) mokslininkai, ieškodami optimalaus metalų derinio, kad būtų galima pagaminti didžiausio kvantinio efektyvumo elementą, sukūrė tikrą našumo rekordininką – jų baterijos vidinis ir išorinis kvantinis efektyvumas bandymų metu buvo 114. % ir 130 % atitinkamai.

Šie parametrai nėra baterijos efektyvumas, kuris dabar rodo palyginti nedidelį procentą - tik 4,5%, tačiau nuotraukų srauto rinkimo optimizavimas nebuvo pagrindinis tyrimo tikslas, kurį sudarė tik efektyviausio elementų derinio parinkimas. . Tačiau verta paminėti, kad prieš NREL eksperimentą nė viena baterija neparodė didesnio nei 100 % kvantinio efektyvumo.

Kaip matome, galimos kvantinių taškų praktinio pritaikymo sritys yra plačios ir įvairios teorinės raidos vienu metu vykdomos keliomis kryptimis. Masiškai juos diegti įvairiose srityse apsunkina daugybė apribojimų: didelė pačių taškų gamybos kaina, jų toksiškumas, netobulumas ir pačios gamybos technologijos ekonominis netikslumas.

Netolimoje ateityje gali plačiai paplisti spalvų kodavimo ir rašalo žymėjimo sistema, pagrįsta kvantiniais taškais. Suprasdama, kad ši rinkos niša dar neužimta, bet yra perspektyvi ir imli žinioms, bendrovė IQDEMY, kaip viena iš savo cheminės laboratorijos (Novosibirskas) tyrimų užduočių, nustatė optimalios UV spinduliuose kietėjančio rašalo formulės kūrimą. ir vandens pagrindo rašalas, kuriame yra kvantinių taškų.

Pirmieji gauti spaudos pavyzdžiai yra įspūdingi ir atveria tolesnes perspektyvas praktiškai tobulinti šią technologiją:

Kvantiniai taškai ir kodėl jie įdiegti

• Kvantinės technologijos,
• Monitoriai ir televizorius

Laba diena, Habrazhiteliki! Manau, daug kas pastebėjo, kad reklama apie kvantinių taškų technologija paremtus ekranus, vadinamuosius QD – LED (QLED) ekranus, pradėjo pasirodyti vis dažniau ir nepaisant to, kad šiuo metu tai tik rinkodara. Panašiai kaip LED televizorius ir tinklainė, tai yra skystųjų kristalų ekranų kūrimo technologija, kurioje kaip apšvietimas naudojami kvantiniais taškais pagrįsti šviesos diodai.

Jūsų nuolankus tarnas nusprendė išsiaiškinti, kas yra kvantiniai taškai ir su kuo jie naudojami.

Užuot supažindinęs

Kvantinio taško energijos spektras yra diskretus, o atstumas tarp stacionarių krūvininkų energijos lygių priklauso nuo paties kvantinio taško dydžio - ħ/(2md^2), kur:

1. ħ - sumažinta Planko konstanta;
2. d - būdingas taško dydis;
3. m – efektyvioji elektrono masė taške

Kvantinių taškų tipai

• epitaksiniai kvantiniai taškai;
• koloidiniai kvantiniai taškai.

Kvantinio taško dizainas

Dabar apie ekranus

Norint sukurti prototipą, ant silicio plokštės užtepamas kvantinio taško tirpalo sluoksnis ir purškiamas tirpiklis. Tada į kvantinių taškų sluoksnį įspaudžiamas guminis antspaudas su šukų paviršiumi, atskiriamas ir įspaudžiamas ant stiklo ar lankstaus plastiko. Taip ant substrato uždedamos kvantinių taškų juostelės. Spalvotuose ekranuose kiekviename pikselyje yra raudonas, žalias arba mėlynas subpikselis. Atitinkamai, šios spalvos naudojamos skirtingo intensyvumo, kad būtų gautas geriausias įmanomas rezultatas daugiau atspalvių.

Kitas plėtros žingsnis buvo Indijos mokslo instituto Bangalore mokslininkų straipsnio paskelbimas. Kur buvo aprašyti kvantiniai taškai, kurie šviečia ne tik oranžine spalva, bet ir nuo tamsiai žalios iki raudonos spalvos.

Kodėl LCD yra blogesnis?

P.S. Verta paminėti, kad kvantinių taškų taikymo sritis neapsiriboja vien LED monitoriais, jie gali būti naudojami lauko tranzistoriuose, fotoelementuose, lazeriniuose dioduose ir galimybė juos panaudoti medicinoje ir kvantinėje kompiuterijoje; taip pat tiriamas.

P.P.S. Jei kalbėsime apie mano asmeninę nuomonę, tai tikiu, kad artimiausius dešimt metų jie nebus populiarūs ne dėl to, kad jie mažai žinomi, o dėl to, kad šių ekranų kainos yra didžiulės, bet vis tiek noriu tikėtis, kad taškai ras savo pritaikymą medicinoje, bus naudojami ne tik pelnui didinti, bet ir geriems tikslams.

Žymos:

• QLED
• LED
• Kvantinis ekranas

Kvantiniai taškai- tai maži kristalai, skleidžianti šviesą su tiksliai reguliuojama spalvos verte. Kvantinė technologija taškinis LEDžymiai pagerina vaizdo kokybę, teoriškai nedarant įtakos galutinei įrenginių kainai :).

Įprasti LCD televizoriai gali aprėpti tik 20–30 % spalvų diapazono, kurį gali suvokti žmogaus akis. Vaizdas itin tikroviškas, tačiau ši technologija nėra skirta masinei gamybai didelės įstrižainės rodo. Tie, kurie seka televizorių rinką, prisimena, kad dar 2013 m. pradžioje Sony pristatė pirmąjį Televizorius, pagrįstas kvantiniais taškais (Quantum dot LED, QLED). Didieji televizorių gamintojai šiais metais išleis kvantinių taškų televizorių modelius, kuriuos „Samsung“ jau pristatė Rusijoje pavadinimu SUHD, bet apie tai – straipsnio pabaigoje. Išsiaiškinkime, kuo QLED technologija pagaminti ekranai skiriasi nuo jau pažįstamų LCD televizorių.

LCD televizoriams trūksta grynų spalvų

Juk skystųjų kristalų ekranai susideda iš 5 sluoksnių: šaltinis yra balta šviesa, skleidžiamas šviesos diodų, kuris praeina per kelis poliarizacinius filtrus. Filtrai, esantys priekyje ir gale, kartu su skystaisiais kristalais kontroliuoja praeinantį šviesos srautą, sumažindami arba padidindami jo ryškumą. Taip atsitinka dėl pikselių tranzistorių, kurie turi įtakos šviesos kiekiui, praeinančiam per filtrus (raudoną, žalią, mėlyną). Šių trijų subpikselių, kuriems taikomi filtrai, sugeneruota spalva suteikia tam tikrą pikselio spalvos reikšmę. Spalvų maišymas vyksta gana sklandžiai, tačiau grynai raudona, žalia ar mėlyna tokiu būdu išgauti tiesiog neįmanoma. Kliūtis yra filtrai, kurie perduoda ne tik vieną tam tikro ilgio bangą, o visą eilę skirtingo ilgio bangų. Pavyzdžiui, oranžinė šviesa taip pat praeina per raudoną filtrą.

Šviesos diodas skleidžia šviesą, kai jam prijungiama įtampa. Dėl to elektronai (e) perkeliami iš N tipo medžiagos į P tipo medžiagą. N tipo medžiagoje yra atomų, turinčių perteklinį elektronų skaičių. P tipo medžiagoje yra atomų, kuriems trūksta elektronų. Kai į pastarąjį patenka elektronų perteklius, jie išskiria energiją šviesos pavidalu. Įprastiniame puslaidininkiniame kristale tai paprastai yra balta šviesa, kurią sukuria daugybė skirtingų bangų ilgių. To priežastis yra ta, kad elektronai gali būti skirtingų energijos lygių. Dėl to susidarantys fotonai (P) turi skirtingą energiją, dėl ko susidaro skirtingi spinduliuotės bangos ilgiai.

Šviesos stabilizavimas kvantiniais taškais

IN QLED televizoriai Kvantiniai taškai veikia kaip šviesos šaltinis – tai vos kelių nanometrų dydžio kristalai. Šiuo atveju nereikia sluoksnio su šviesos filtrais, nes kai į juos įjungiama įtampa, kristalai visada skleidžia šviesą su aiškiai apibrėžtu bangos ilgiu, taigi ir spalvos verte. Šis efektas pasiekiamas dėl mažyčių kvantinio taško matmenų, kuriame elektronas, kaip ir atomas, gali judėti tik ribotoje erdvėje. Kaip ir atome, kvantinio taško elektronas gali užimti tik griežtai apibrėžtus energijos lygius. Dėl to, kad šie energijos lygiai taip pat priklauso nuo medžiagos, tampa įmanoma konkrečiai sureguliuoti kvantinių taškų optines savybes. Pavyzdžiui, norint gauti raudoną spalvą, naudojami kristalai iš kadmio, cinko ir seleno lydinio (CdZnSe), kurių dydis yra apie 10–12 nm. Kadmio ir seleno lydinys tinka geltonai, žaliai ir mėlynos spalvos, pastarąjį taip pat galima gauti naudojant nanokristalus iš cinko ir sieros junginio, kurio dydis yra 2–3 nm.

Masinė gamyba mėlyni kristalai labai sudėtingas ir brangus, todėl 2013 m. Sony pristatytas televizorius nėra „grynakraujis“ QLED televizorius, pagrįstas kvantiniais taškais. Jų gaminamų ekranų gale yra mėlynų šviesos diodų sluoksnis, kurio šviesa praeina per raudonų ir žalių nanokristalų sluoksnį. Dėl to jie iš esmės pakeičia šiuo metu paplitusius šviesos filtrus. Dėl šios priežasties spalvų gama, palyginti su įprastais LCD televizoriais, padidėja 50%, tačiau nepasiekia „gryno“ QLED ekrano lygio. Pastarieji, be platesnės spalvų gamos, turi dar vieną privalumą: taupo energiją, nes nereikia sluoksnio su šviesos filtrais. Dėl šios priežasties QLED televizorių priekinė ekrano dalis taip pat gauna daugiau šviesos, nei įprastuose televizoriuose, kurie praleidžia tik apie 5% šviesos srauto.

QLED televizorius su ekranu, paremtu Samsung kvantinių taškų technologija

„Samsung Electronics“ Rusijoje pristatė aukščiausios kokybės televizorius, pagamintus naudojant kvantinių taškų technologiją. Nauji produktai, kurių skiriamoji geba buvo 3840 × 2160 pikselių, nebuvo pigūs, o pavyzdinio modelio kaina buvo 2 milijonai rublių.

Inovacijos. Lenkti „Samsung“ SUHD televizoriai, pagrįsti kvantiniais taškais, skiriasi nuo įprastų LCD modelių geresniu spalvų perteikimu, kontrastu ir energijos suvartojimo charakteristikomis. Integruotas SUHD Remastering Engine leidžia padidinti mažos raiškos vaizdo turinį iki 4K. Be to, naujieji televizoriai gavo „Peak Illuminator“ ir „Precision Black“ išmaniojo foninio apšvietimo funkcijas, „Nano Crystal Color“ technologiją (gerina spalvų sodrumą ir natūralumą), „UHD Dimming“ (užtikrina optimalų kontrastą) ir „Auto Depth Enhancer“ (automatiškai reguliuoja tam tikrų sričių kontrastą). paveikslėlio). IN programos pagrindu Televizoriai yra sukurti pagal „Tizen“ operacinę sistemą su atnaujinta „Samsung Smart TV“ platforma.

Kainos. Pristatoma Samsung SUHD televizorių šeima trys epizodai(JS9500, JS9000 ir JS8500), kur kaina prasideda nuo 130 tūkstančių rublių. Tiek Rusijos pirkėjams kainuos 48 colių modelis UE48JS8500TXRU. Maksimali televizoriaus su kvantiniais taškais kaina siekia 2 milijonus rublių - modeliui UE88JS9500TXRU su 88 colių lenktu ekranu.

Naujos kartos televizorius, naudojančius QLED technologiją, ruošia Pietų Korėjos „Samsung Electronics“ ir „LG Electronics“, Kinijos TCL ir „Hisense“ bei Japonijos „Sony“. Pastaroji jau išleido LCD televizorius, pagamintus naudojant kvantinių taškų technologiją, apie kurią minėjau Quantum dot LED technologijos aprašyme.