Kuantum noktaları. Quantum dot LED – ekran üretimi için yeni bir teknoloji

LED, LCD, OLED, 4K, UHD... öyle görünüyor ki şu anda televizyon endüstrisinin ihtiyaç duyduğu son şey başka bir teknik kısaltma. Ancak ilerleme durdurulamaz, birkaç harfle daha tanışın - QD (veya Quantum Dot). Fizikteki “kuantum noktaları” teriminin televizyonlar için gerekenden daha geniş bir anlama sahip olduğunu hemen belirteyim. Ancak nanofiziksel olan her şeye yönelik mevcut modanın ışığında, büyük şirketlerin pazarlamacıları bu zor bilimsel konsepti memnuniyetle uygulamaya başladı. Ben de bunların ne tür kuantum noktaları olduğunu ve neden herkesin bir QD TV satın almak isteyebileceğini anlamaya karar verdim.

İlk olarak, basitleştirilmiş biçimde bazı bilim. Bir “kuantum noktası”, elektriksel özellikleri boyutuna ve şekline (wiki) bağlı olan bir yarı iletkendir. Kuantum boyutu etkilerinin belirgin olması için çok küçük olması gerekir. Ve bu etkiler tam da bu noktanın büyüklüğüne göre düzenlenir, yani. yayılan bir fotonun enerjisi - aslında renk - eğer bu kelime bu kadar küçük nesneler için geçerliyse "boyutlara" bağlıdır.

Daha da tüketici dilinde bunlar, aydınlatıldığında belirli bir spektrumda parlamaya başlayacak olan küçük parçacıklardır. İnce bir filme uygulanıp "ovulursa", ardından aydınlatılırsa, film parlak bir şekilde parlamaya başlayacaktır. Teknolojinin özü, bu noktaların boyutunun kontrol edilmesinin kolay olmasıdır, bu da doğru rengin elde edilmesi anlamına gelir.

Aslında büyük şirketlerin hangi ismi seçtiği o kadar önemli değil, asıl önemli olan tüketiciye ne vermesi gerektiğidir. Ve burada vaat oldukça basit; gelişmiş renk sunumu. “Kuantum noktalarının” bunu nasıl sağlayacağını daha iyi anlamak için LCD ekranın tasarımını hatırlamanız gerekiyor.

Kristalin altındaki ışık

Bir LCD TV (LCD) üç ana bölümden oluşur: beyaz arka ışık, renk filtreleri (ışığı kırmızı, mavi ve yeşil renklere ayırır) ve sıvı kristal matris. İkincisi, küçük pencerelerden oluşan bir ızgaraya benziyor - pikseller, bunlar da üç alt pikselden (hücrelerden) oluşuyor. Sıvı kristaller, perdeler gibi ışık akışını engelleyebilir veya tam tersine ara durumlar da vardır;

LED'lerin yaydığı beyaz ışık (LED, birkaç yıl önce olduğu gibi bugün floresan lambalı bir TV bulmak zordur), örneğin yeşil ve kırmızı hücreleri kapalı olan bir pikselden geçtiğinde şunu görürüz: mavi renk. Her RGB pikselinin “katılım” derecesi değişir ve böylece renkli bir görüntü elde edilir.

Anladığınız gibi, görüntünün renk kalitesini sağlamak için en az iki şey gereklidir: doğru filtre renkleri ve tercihen geniş spektrumlu doğru beyaz arka ışık. İkincisi ile LED'lerin bir sorunu var.

Öncelikle aslında beyaz değiller, ayrıca çok dar bir renk spektrumuna sahipler. Yani, beyaz renk spektrumunun genişliği ek kaplamalarla elde edilir - birkaç teknoloji vardır, çoğunlukla sarı ilaveli sözde fosfor diyotları kullanılır. Ancak bu "yarı beyaz" renk hâlâ idealin gerisinde kalıyor. Eğer onu bir prizmadan geçirirseniz (okuldaki fizik dersinde olduğu gibi), güneş ışığında olduğu gibi gökkuşağının tüm renklerine aynı yoğunlukta ayrışmayacaktır. Örneğin kırmızı, yeşil ve maviden çok daha sönük görünecektir.

Mühendisler anlaşılır bir şekilde durumu düzeltmeye ve geçici çözümler bulmaya çalışıyor. Örneğin, TV ayarlarında yeşil ve mavi seviyelerini azaltabilirsiniz, ancak bu genel parlaklığı etkileyecektir - resim daha soluk hale gelecektir. Bu nedenle tüm üreticiler, bozunması aynı doygunluğa sahip renklerle tekdüze bir spektrum oluşturacak bir beyaz ışık kaynağı arıyorlardı. Kuantum noktalarının kurtarmaya geldiği yer burasıdır.

Kuantum noktaları

Televizyonlardan bahsediyorsak, "kuantum noktalarının" ışık çarptığında ışıldayan mikroskobik kristaller olduğunu hatırlatmama izin verin. Pek çok farklı renkte "yanabilirler", hepsi noktanın boyutuna bağlıdır. Ve bilim adamlarının artık, içerdikleri atom sayısını değiştirerek boyutlarını neredeyse mükemmel bir şekilde kontrol etmeyi öğrendikleri göz önüne alındığında, tam olarak ihtiyaç duyulan renkte bir parıltı elde etmek mümkündür. Kuantum noktaları da oldukça kararlıdır; değişmezler; bu, belirli bir kırmızı tonunda ışıldamak üzere tasarlanan bir noktanın neredeyse sonsuza kadar o gölgede kalacağı anlamına gelir.

Mühendisler teknolojiyi şu şekilde kullanma fikrini ortaya attılar: Belirli bir kırmızı ve yeşil tonuyla parlayacak şekilde oluşturulan ince bir filme "kuantum nokta" kaplama uygulanıyor. Ve LED normal mavidir. Ve sonra birisi hemen şunu tahmin edecek: "her şey açık - bir mavi kaynağı var ve noktalar yeşil ve kırmızıyı verecek, bu da aynı RGB modelini elde edeceğimiz anlamına geliyor!" Ama hayır, teknoloji farklı çalışıyor.

"Kuantum noktalarının" büyük bir sayfada bulunduğunu ve alt piksellere bölünmediğini, sadece birbirine karıştırıldığını unutmamalıyız. Mavi bir diyot filmin üzerinde parladığında, yukarıda belirtildiği gibi noktalar kırmızı ve yeşil ışık yayar ve yalnızca bu üç rengin tümü karıştırıldığında ideal bir beyaz ışık kaynağı oluştururlar. Ayrıca matrisin arkasındaki yüksek kaliteli beyaz ışığın aslında karşı taraftaki izleyicinin gözleri için doğal renksel geriverime eşit olduğunu da hatırlatmak isterim. En azından, spektrumun kaybı veya bozulması için düzeltmeler yapmanıza gerek olmadığı için.

Hala bir LCD TV

Geniş renk gamı ​​özellikle yeni 4K TV'ler ve gelecek standartlarda bizi bekleyen 4:4:4 renk alt örnekleme için kullanışlı olacak. Bunların hepsi iyi hoş, ancak kuantum noktalarının LCD TV'lerdeki diğer sorunları çözmediğini unutmayın. Örneğin, mükemmel siyah elde etmek neredeyse imkansızdır çünkü sıvı kristaller (yukarıda yazdığım "panjurların" aynısı) ışığı tamamen engelleyemez. Sadece “kendilerini örtebilirler” ama tamamen kapanamazlar.

Kuantum noktaları, renk üretimini iyileştirmek için tasarlanmıştır ve bu, resmin izlenimini önemli ölçüde artıracaktır. Ancak bu, piksellerin ışık akışını tamamen durdurabildiği OLED teknolojisi veya plazma değil. Ancak plazma TV'ler kullanımdan kaldırıldı ve OLED TV'ler çoğu tüketici için hâlâ çok pahalı; dolayısıyla üreticilerin yakında bize daha iyi performans gösterecek yeni bir LED TV türü sunacağını bilmek hâlâ güzel.

Bir “kuantum TV”nin maliyeti ne kadar?

Sony, Samsung ve LG'nin ilk QD TV'lerinin Ocak ayında CES 2015'te gösterileceğine söz verildi. Ancak Çin'in TLC Multimedyası diğerlerinden daha önde; zaten 4K QD TV'yi piyasaya sürdüler ve bunun Çin'de satışa sunulmak üzere olduğunu söylüyorlar.

Yeni teknolojiye sahip TV'lerin maliyetini şu anda kesin olarak söylemek mümkün değil; resmi açıklamaları bekliyoruz. QD'lerin benzer işlevselliğe sahip OLED'lerden üç kat daha ucuza mal olacağını yazdılar. Ayrıca bilim adamlarının söylediği gibi teknoloji çok ucuz. Buna dayanarak Quantum Dot modellerinin yaygın olarak bulunacağını ve geleneksel modellerin yerini alacağını umabiliriz. Ancak ilk etapta fiyatların yine de artacağını düşünüyorum. Genellikle tüm yeni teknolojilerde olduğu gibi.

DERS ÇALIŞMASI

"Biyomedikal dönüştürücüler ve sensör sistemleri" disiplininde

Kuantum noktaları ve bunlara dayalı biyosensörler

Giriiş. 3

Kuantum noktaları. Genel bilgi. 5

Kuantum noktalarının sınıflandırılması. 6

Fotolüminesan kuantum noktaları. 9

Kuantum noktalarının elde edilmesi. 11

Kuantum noktalarını kullanan biyosensörler. Klinik teşhiste kullanım beklentileri. 13

Çözüm. 15

Kullanılmış literatürün listesi. 16

Giriiş.

Kuantum noktaları (QD'ler), özellikleri aynı bileşimdeki dökme malzemenin özelliklerinden önemli ölçüde farklı olan izole nanonesnelerdir. Kuantum noktalarının gerçek nesnelerden çok matematiksel bir model olduğu hemen belirtilmelidir. Ve bu, tamamen ayrı yapılar oluşturmanın imkansızlığından kaynaklanmaktadır - küçük parçacıklar, sıvı bir ortamda veya katı bir matriste olmak üzere her zaman çevre ile etkileşime girer.

Kuantum noktalarının ne olduğunu ve elektronik yapılarını anlamak için eski bir Yunan amfitiyatrosunu hayal edin. Şimdi sahnede heyecan verici bir performansın ortaya çıktığını ve seyircilerin oyuncuların oyununu izlemeye gelen insanlarla dolu olduğunu hayal edin. Böylece, tiyatrodaki insanların davranışlarının birçok açıdan kuantum nokta (QD) elektronlarının davranışına benzer olduğu ortaya çıktı. Gösteri sırasında oyuncular seyircilerin arasına girmeden arenada dolaşıyor, seyirciler de aksiyonu koltuklarından izliyor ve sahneye inmiyor. Arena, kuantum noktasının daha düşük dolu seviyeleridir ve seyirci sıraları, daha yüksek enerjiye sahip heyecanlı elektronik seviyelerdir. Bu durumda nasıl bir izleyici salonun herhangi bir sırasında bulunabiliyorsa, bir elektron da bir kuantum noktasının herhangi bir enerji düzeyini işgal edebilir ancak bunların arasına yerleştirilemez. Gişedeki performans için bilet alırken herkes sahneye mümkün olduğunca yakın en iyi koltukları almaya çalıştı. Hatta aktörün yüzünün dürbünle dahi görülemediği son sırada kim oturmak ister ki! Dolayısıyla seyirci performans başlamadan önce oturduğunda salonun tüm alt sıraları doluyor, tıpkı en düşük enerjiye sahip olan CT'nin sabit durumunda olduğu gibi, alt enerji seviyelerinin tamamen elektronlar tarafından işgal edilmesi gibi. Ancak performans sırasında seyircilerden biri, örneğin sahnedeki müziğin çok yüksek çalması veya hoş olmayan bir komşuya yakalanması nedeniyle koltuğundan ayrılıp boş bir üst sıraya geçebilir. Bu, bir kuantum noktasında, dış bir etkinin etkisi altındaki bir elektronun, diğer elektronlar tarafından işgal edilmeyen daha yüksek bir enerji seviyesine geçmeye zorlanmasının, bir kuantum noktasının uyarılmış durumunun oluşmasına yol açmasıdır. Muhtemelen elektronun eskiden bulunduğu enerji seviyesindeki o boş alana, yani delik denilen boş alana ne olacağını merak ediyorsunuz? Yük etkileşimleri yoluyla elektronun ona bağlı kaldığı ve her an geri dönebildiği, tıpkı hareket eden bir izleyicinin her zaman fikrini değiştirip biletinde belirtilen yere dönebildiği gibi ortaya çıktı. Bir elektron-delik çiftine İngilizce "heyecanlı" anlamına gelen "heyecanlı" sözcüğünden "eksiton" adı verilir. Seyircilerden birinin yükselişi veya alçalması gibi bir QD'nin enerji seviyeleri arasındaki geçişe, elektronun enerjisindeki bir değişiklik eşlik eder; bu, elektron hareket ettiğinde bir kuantum ışığın (foton) soğurulmasına veya yayılmasına karşılık gelir. sırasıyla daha yüksek veya daha düşük bir seviyeye hareket eder. Yukarıda açıklanan bir kuantum noktasındaki elektronların davranışı, makro nesnelerin karakteristiği olmayan ayrı bir enerji spektrumuna yol açar; bunlar için QD'ler genellikle elektron seviyelerinin ayrı olduğu yapay atomlar olarak adlandırılır.

Delik ile elektron arasındaki bağlantının gücü (enerji), her madde için karakteristik bir değer olan eksiton yarıçapını belirler. Parçacık boyutu eksiton yarıçapından küçükse, eksiton uzayda boyutuyla sınırlıdır ve karşılık gelen bağlanma enerjisi, toplu maddeye kıyasla önemli ölçüde değişir (bkz. "Kuantum boyutu etkisi"). Eksiton enerjisi değişirse, uyarılmış elektron orijinal yerine hareket ettiğinde sistem tarafından yayılan fotonun enerjisinin de değişeceğini tahmin etmek zor değildir. Böylece, çeşitli boyutlardaki nanopartiküllerin monodispers kolloidal çözeltilerinin elde edilmesiyle, optik spektrumun geniş bir aralığında geçiş enerjilerinin kontrol edilmesi mümkün olmaktadır.

Kuantum noktaları. Genel bilgi.

İlk kuantum noktaları, eski Mısır'da çeşitli camları renklendirmek için sentezlenen metal nanopartiküllerdi (bu arada, Kremlin'in yakut yıldızları benzer bir teknoloji kullanılarak elde edildi), ancak daha geleneksel ve yaygın olarak bilinen QD'ler GaN yarı iletken parçacıklarıdır. CdSe nanokristallerinin substratları ve kolloidal çözeltileri üzerinde büyütüldü. Şu anda kuantum noktaları elde etmenin birçok yolu vardır; örneğin, "nanolitografi" kullanılarak ince yarı iletken "heteroyapılar" katmanlarından "kesilebilirler" veya kendiliğinden nano boyutlu kapanımlar şeklinde oluşturulabilirler. Bir tür yarı iletken malzemenin diğerinin matrisindeki yapılarının yapısı. Substratın birim hücresinin ve biriktirilen katmanın parametrelerinde önemli bir fark olan "moleküler ışın epitaksi" yöntemini kullanarak, substrat üzerindeki piramidal kuantum noktalarının büyümesini sağlamak, özelliklerin incelenmesi için mümkündür. Akademisyen Zh.I. Alferov'a Nobel Ödülü verildi. Sentez işlemlerinin koşullarının kontrol edilmesiyle, belirli boyutlarda ve belirli özelliklere sahip kuantum noktalarının elde edilmesi teorik olarak mümkündür.

Kuantum noktaları hem çekirdek hem de çekirdek-kabuk heteroyapıları olarak mevcuttur. Küçük boyutlarından dolayı QD'ler toplu yarı iletkenlerden farklı özelliklere sahiptir. Yük taşıyıcılarının hareketinin uzaysal kısıtlaması, elektronik seviyelerin ayrık yapısında ifade edilen kuantum boyutunda bir etkiye yol açar; bu nedenle QD'lere bazen "yapay atomlar" denir.

Boyutlarına ve kimyasal bileşimlerine bağlı olarak kuantum noktaları görünür ve yakın kızılötesi aralıklarda fotolüminesans sergiler. Yüksek boyut homojenliği (%95'ten fazla) nedeniyle, önerilen nanokristaller, olağanüstü renk saflığı sağlayan dar emisyon spektrumlarına (floresan tepe yarı genişliği 20-30 nm) sahiptir.

Kuantum noktaları, heksan, toluen, kloroform gibi polar olmayan organik çözücülerdeki çözeltiler veya kuru tozlar halinde sağlanabilir.

QD'ler hala "genç" bir araştırma nesnesidir, ancak bunların lazer tasarımında ve yeni nesil ekranlarda kullanılmasına yönelik geniş beklentiler zaten oldukça açıktır. QD'lerin optik özellikleri, malzemenin ayarlanabilir ışıldayan özelliklerini gerektiren bilimin en beklenmedik alanlarında kullanılır; örneğin tıbbi araştırmalarda, onların yardımıyla hastalıklı dokuları "aydınlatmak" mümkündür.

Kuantum noktalarının sınıflandırılması.

Kuantum noktalarının kolloidal sentezi, hem çeşitli yarı iletken malzemelere dayalı kuantum noktalarının hem de farklı geometrilere (şekillere) sahip kuantum noktalarının elde edilmesinde geniş olanaklar sunar. Farklı yarı iletkenlerden oluşan kuantum noktalarının sentezlenmesi olasılığı da daha az önemli değildir. Kolloidal kuantum noktaları bileşim, boyut ve şekil ile karakterize edilecektir.

1. Kuantum nokta bileşimi (yarı iletken malzeme)

Her şeyden önce, kuantum noktaları ışıldayan malzemeler olarak pratik açıdan ilgi çekicidir. Kuantum noktalarının sentezlendiği yarı iletken malzemeler için temel gereksinimler şunlardır. Her şeyden önce, bu, bant spektrumunun doğrudan aralıklı doğasıdır - etkili bir parlaklık sağlar ve ikincisi, yük taşıyıcılarının düşük etkili kütlesi - oldukça geniş bir boyut aralığında kuantum boyutu etkilerinin tezahürü (tabii ki, nanokristallerin standartlarına göre). Aşağıdaki yarı iletken malzeme sınıfları ayırt edilebilir. Geniş aralıklı yarı iletkenler (ZnO, TiO2 oksitler) - ultraviyole aralığı. Orta bant yarı iletkenleri (A2B6, örneğin kadmiyum kalkojenitler, A3B5) - görünür aralık.

Kuantum noktalarının etkili bant aralığındaki değişiklik aralıkları

boyutu 3 ila 10 nm arasında değişiyor.

Şekil, boyutu 3-10 nm aralığında olan nanokristaller formundaki en yaygın yarı iletken malzemeler için etkili bant aralığının değiştirilme olasılığını göstermektedir. Pratik açıdan bakıldığında, önemli optik aralıklar görünür 400-750 nm, IR'ye yakın 800-900 nm - kan şeffaflık penceresi, 1300-1550 nm - telekomünikasyon aralığı

1. Kuantum Nokta Şekli

Bileşim ve boyutların yanı sıra şekilleri de kuantum noktalarının özellikleri üzerinde ciddi bir etkiye sahip olacaktır.

- Küresel(doğrudan kuantum noktaları) - kuantum noktalarının çoğu. Şu anda en büyük pratik uygulamaya sahipler. Üretimi en kolayı.

- Elipsoidal(nanorods) - bir yön boyunca uzanan nanokristaller.

Eliptiklik katsayısı 2-10. Belirtilen sınırlar keyfidir. Pratik açıdan bakıldığında, bu kuantum noktaları sınıfı polarize radyasyon kaynakları olarak kullanılır. Yüksek eliptiklik katsayıları >50 olduğunda, bu tür nanokristallere genellikle nanoteller adı verilir.

- Karmaşık geometriye sahip nanokristaller(örneğin tetrapodlar). Yeterli çeşitlilikte şekiller sentezlenebilir - kübik, yıldız işaretleri vb. ve ayrıca dallanmış yapılar. Pratik açıdan bakıldığında tetrapodlar moleküler anahtarlar olarak uygulama alanı bulabilir. Şu anda büyük ölçüde akademik ilgi görüyorlar.

1. Çok bileşenli kuantum noktaları

Kolloidal kimya yöntemleri, başta farklı bant aralıkları olmak üzere farklı özelliklere sahip yarı iletkenlerden çok bileşenli kuantum noktalarının sentezlenmesini mümkün kılar. Bu sınıflandırma birçok açıdan geleneksel olarak yarı iletkenlerde kullanılan sınıflandırmaya benzer.

Katkılı Kuantum Noktaları

Kural olarak, eklenen safsızlığın miktarı küçüktür (kuantum noktası başına 1-10 atom, bir kuantum noktasında ortalama atom sayısı 300-1000'dir). Kuantum noktasının elektronik yapısı değişmez; safsızlık atomu ile kuantum noktasının uyarılmış durumu arasındaki etkileşim, dipol niteliğindedir ve uyarılma transferine indirgenir. Ana alaşım safsızlıkları manganez ve bakırdır (görünür aralıkta parlaklık).

Katı çözümlere dayanan kuantum noktaları.

Kuantum noktaları için, malzemelerin toplu haldeki karşılıklı çözünürlüğü gözlemlenirse, yarı iletkenlerin katı çözeltilerinin oluşumu mümkündür. Toplu yarı iletkenlerde olduğu gibi, katı çözeltilerin oluşumu enerji spektrumunda bir değişikliğe yol açar - etkili özellikler, bireysel yarı iletkenlerin değerlerinin üst üste binmesidir. Bu yaklaşım, etkili bant aralığını sabit bir boyutta değiştirmenize olanak tanır ve kuantum noktalarının özelliklerini kontrol etmenin başka bir yolunu sağlar.

Heteroeklemlere dayanan kuantum noktaları.

Bu yaklaşım çekirdek-kabuk kuantum noktalarında uygulanır (çekirdek bir yarı iletkenden, kabuk diğerinden yapılır). Genel olarak farklı yarı iletkenlerden iki parça arasında temasın oluşmasını içerir. Klasik heteroeklem teorisine benzetilerek iki tür çekirdek-kabuk kuantum noktası ayırt edilebilir.

Fotolüminesan kuantum noktaları.

Özellikle ilgi çekici olan, bir fotonun soğurulmasının elektron-delik çiftleri ürettiği ve elektronların ve deliklerin rekombinasyonunun floresansa neden olduğu fotolüminesans kuantum noktalarıdır. Bu tür kuantum noktalarının konumu boyutlarına göre belirlenen dar ve simetrik bir floresans zirvesi vardır. Bu nedenle, boyutlarına ve bileşimlerine bağlı olarak QD'ler, spektrumun UV, görünür veya IR bölgelerinde floresan ışıyabilir.

Kadmiyum kalkojenitlere dayalı kuantum noktaları, boyutlarına bağlı olarak farklı renklerde floresans yayar

Örneğin kuantum noktaları ZnS, CD'ler Ve ZnSe UV bölgesinde floresans, CdSe Ve CdTe görünürde ve PbS, PbSe Ve PbTe yakın IR bölgesinde (700-3000 nm). Ek olarak yukarıdaki bileşiklerden, optik özellikleri orijinal bileşiklerinkinden farklı olabilen heteroyapılar oluşturmak mümkündür. En popüler olanı, dar aralıklı bir yarı iletkenden, örneğin bir çekirdek üzerine, daha geniş aralıklı bir yarı iletkenden bir kabuk oluşturmaktır. CdSe bir kabuk yetiştirmek ZnS :

Epitaksiyel bir ZnS kabuğu (yapısal tip sfalerit) ile kaplanmış bir CdSe çekirdeğinden oluşan bir kuantum noktasının yapısının modeli

Bu teknik, QD'lerin oksidasyona karşı stabilitesini önemli ölçüde arttırmanın yanı sıra, çekirdek yüzeyindeki kusur sayısını azaltarak floresansın kuantum verimini önemli ölçüde artırmayı mümkün kılar. QD'lerin ayırt edici bir özelliği, aynı zamanda QD'nin boyutuna da bağlı olan, geniş bir dalga boyu aralığında sürekli bir absorpsiyon spektrumudur (floresan uyarımı). Bu, aynı dalga boyunda farklı kuantum noktalarının aynı anda uyarılmasını mümkün kılar. Ek olarak, QD'ler geleneksel floroforlara kıyasla daha yüksek parlaklığa ve daha iyi fotostabiliteye sahiptir.

Kuantum noktalarının bu tür benzersiz optik özellikleri, bunların optik sensörler, floresan işaretleyiciler, tıpta ışığa duyarlılaştırıcılar olarak kullanılmasının yanı sıra IR bölgesinde fotodetektörlerin, yüksek verimli güneş pillerinin, minyatür LED'lerin, beyaz ışık kaynaklarının üretimi için geniş umutlar açıyor. , tek elektronlu transistörler ve doğrusal olmayan optik cihazlar.

Kuantum noktalarının elde edilmesi

Kuantum noktaları üretmek için iki ana yöntem vardır: öncüllerin "bir şişede" karıştırılmasıyla gerçekleştirilen kolloidal sentez ve epitaksi, yani. Substratın yüzeyinde kristallerin yönlendirilmiş büyümesi.

İlk yöntem (kolloidal sentez) çeşitli şekillerde uygulanır: yüksek veya oda sıcaklığında, inert bir atmosferde, organik çözücülerde veya sulu çözeltide, organometalik öncüllerle veya bunlar olmadan, çekirdeklenmeyi kolaylaştıran moleküler kümelerle veya bunlar olmadan. Yüksek kaynama noktalı organik çözücüler içinde çözünmüş inorganometalik öncüllerin ısıtılmasıyla inert bir atmosferde gerçekleştirilen yüksek sıcaklıkta kimyasal sentez de kullanılır. Bu, yüksek floresans kuantum verimiyle aynı boyutta kuantum noktalarının elde edilmesini mümkün kılar.

Kolloidal sentezin bir sonucu olarak, adsorbe edilmiş yüzey aktif madde molekülleri tabakası ile kaplanmış nanokristaller elde edilir:

Hidrofobik yüzeye sahip çekirdek-kabuk koloidal kuantum noktasının şematik gösterimi. Dar aralıklı bir yarı iletkenin çekirdeği (örneğin CdSe) turuncu renkle gösterilir, geniş aralıklı bir yarı iletkenin kabuğu (örneğin ZnS) kırmızıyla gösterilir ve yüzey aktif madde moleküllerinin organik kabuğu siyahla gösterilir.

Hidrofobik organik kabuk sayesinde koloidal kuantum noktaları, polar olmayan herhangi bir çözücüde ve uygun modifikasyonla su ve alkollerde çözülebilir. Kolloidal sentezin bir diğer avantajı ise kilogramın altındaki miktarlarda kuantum noktaları elde etme imkanıdır.

İkinci yöntem (epitaksi) - başka bir malzemenin yüzeyinde nanoyapıların oluşması, genellikle benzersiz ve pahalı ekipmanların kullanılmasını içerir ve ayrıca matrise "bağlı" kuantum noktalarının üretilmesine yol açar. Epitaksi yönteminin endüstriyel seviyeye ölçeklendirilmesi zordur, bu da onu kuantum noktalarının seri üretimi için daha az çekici hale getirir.

Kuantum noktalarını kullanan biyosensörler. Klinik teşhiste kullanım beklentileri.

Kuantum noktası - boyutu Bohr eksiton yarıçapından daha küçük olan, örneğin güçlü floresans gibi kuantum etkilerinin ortaya çıkmasına yol açan çok küçük bir fiziksel nesne.

Kuantum noktalarının avantajı tek bir radyasyon kaynağı tarafından uyarılabilmesidir. Çaplarına bağlı olarak farklı ışık yayarlar ve tüm renklerin kuantum noktaları tek bir kaynak tarafından uyarılır.

Adını taşıyan Biyoorganik Kimya Enstitüsü'nde. Akademisyenler M.M. Shemyakin ve Yu.A. Ovchinnikov RAS, koloidal nanokristaller formunda kuantum noktaları üretiyor ve bu onların floresan etiketler olarak kullanılmasına olanak tanıyor. Çok parlaklar, sıradan bir mikroskopla bile tek tek nanokristalleri görebilirsiniz. Ayrıca ışığa dayanıklıdırlar; yüksek güç yoğunluğundaki radyasyona maruz kaldıklarında uzun süre parlayabilirler.

Kuantum noktalarının bir diğer avantajı ise yapıldıkları malzemeye bağlı olarak biyolojik dokuların en şeffaf olduğu kızılötesi aralıkta floresans elde edilebilmesidir. Üstelik floresans verimleri diğer floroforlarla karşılaştırılamaz, bu da biyolojik dokulardaki çeşitli oluşumların görselleştirilmesinde kullanılmalarına olanak tanır.

Bir otoimmün hastalığın - sistemik skleroz (skleroderma) - teşhisi örneğini kullanarak, klinik proteomiklerde kuantum noktalarının olasılığı gösterilmiştir. Teşhis otoimmün antikorların kaydedilmesine dayanır.

Otoimmün hastalıklarda vücudun kendi proteinleri kendi biyolojik objelerini (hücre duvarları vb.) etkilemeye başlar ve bu da ciddi patolojiye neden olur. Aynı zamanda, teşhis yapmak ve otoantikorları tespit etmek için yararlandıkları biyolojik sıvılarda otoimmün antikorlar ortaya çıkıyor.

Sklerodermaya karşı çok sayıda antikor vardır. Kuantum noktalarının teşhis yetenekleri, iki antikor örneği kullanılarak gösterildi. Otoantikorlara karşı antijenler, belirli bir renkteki kuantum noktalarını içeren polimer mikrokürelerin yüzeyine uygulandı (her antijenin kendi mikroküre rengi vardı). Test karışımı, mikrokürelere ek olarak bir sinyal floroforuyla ilişkili ikincil antikorları da içeriyordu. Daha sonra karışıma örnek eklendi ve eğer istenilen otoantikoru içeriyorsa karışımda kompleks oluşturuldu. mikroküre - otoantikor - sinyal floroforu.

Esasen otoantikor, belirli bir renkteki mikroküreyi bir sinyal floroforuna bağlayan bir bağlayıcıydı. Bu mikroküreler daha sonra akış sitometrisi kullanılarak analiz edildi. Mikroküreden ve sinyal floroforundan eşzamanlı bir sinyalin ortaya çıkması, bağlanmanın meydana geldiğinin ve mikrokürenin yüzeyinde sinyal floroforu ile ikincil antikorlar dahil bir kompleksin oluştuğunun kanıtıdır. O anda mikroküre kristalleri ve ikincil antikorla ilişkili sinyal floroforu gerçekten parlıyordu.

Her iki sinyalin eşzamanlı olarak ortaya çıkması, karışımın saptanabilir bir hedef (hastalığın bir belirteci olan bir otoantikor) içerdiğini gösterir. Bu, iki tanıma molekülü olduğunda klasik bir "sandviç" kayıt yöntemidir; Yüksek tanı güvenilirliğinin ve hastalığın erken bir aşamada tanımlanmasına olanak tanıyan ilaçlar oluşturma olasılığının temeli olan birkaç belirtecin eşzamanlı analiz olasılığı gösterilmiştir.

Biyoetiket olarak kullanın.

Kuantum noktalarına dayalı floresan etiketlerin oluşturulması oldukça umut verici. Kuantum noktalarının organik boyalara göre aşağıdaki avantajları ayırt edilebilir: lüminesans dalga boyunu kontrol etme yeteneği, yüksek sönme katsayısı, geniş bir solvent yelpazesinde çözünürlük, lüminesansın çevreye karşı stabilitesi, yüksek fotostabilite. Ayrıca, kuantum noktalarının yüzeyinin kimyasal (veya dahası biyolojik) modifikasyonu olasılığını da not edebiliriz, bu da biyolojik nesnelere seçici bağlanmaya izin verir. Sağdaki resim, görünür aralıkta ışıldayan suda çözünür kuantum noktaları kullanılarak hücre elemanlarının boyanmasını göstermektedir. Soldaki şekil, tahribatsız optik tomografi yönteminin kullanımına ilişkin bir örneği göstermektedir. Fotoğraf, bir fareye yerleştirilen 800-900 nm aralığında (sıcak kanlı hayvanların kanının şeffaflık penceresi) ışıldayan kuantum noktaları kullanılarak yakın kızılötesi aralıkta çekildi.

Şekil 21. Kuantum noktalarının biyoetiket olarak kullanılması.

Çözüm.

Günümüzde nanopartiküllerin insan sağlığı üzerindeki etkisinin yeterince araştırılmaması nedeniyle kuantum noktalarının kullanıldığı tıbbi uygulamalar hala sınırlıdır. Ancak tehlikeli hastalıkların teşhisinde kullanımları oldukça ümit verici görünmektedir; özellikle bunlara dayanarak bir immünofloresan analiz yöntemi geliştirilmiştir. Ve örneğin onkolojik hastalıkların tedavisinde fotodinamik terapi adı verilen yöntem zaten kullanılıyor. Nanopartiküller tümöre enjekte edilir, daha sonra ışınlanır ve daha sonra bu enerji onlardan oksijene aktarılır, bu da heyecanlı bir duruma girer ve tümörü içeriden "yakar".

Biyologlar, yakın kızılötesi spektrum gibi herhangi bir dalga boyunda tepki veren kuantum noktaları tasarlamanın kolay olduğunu söylüyor. O zaman vücudun derinliklerine gizlenmiş tümörleri bulmak mümkün olacak.

Ayrıca bazı nanopartiküller manyetik rezonans görüntülemede karakteristik bir tepki verebilir.

Araştırmacıların gelecek planları daha da cazip görünüyor. Bir dizi biyomolekülle birleştirilen yeni kuantum noktaları, yalnızca tümörü bulup belirtmekle kalmayacak, aynı zamanda yeni nesil ilaçları da bölgeye tam olarak ulaştıracak.

Nanoteknolojinin bu özel uygulamasının, son yıllarda laboratuvarlarda gördüğümüz pratik ve kitlesel uygulamaya en yakın uygulama olması muhtemeldir.

Diğer bir yön ise optoelektronik ve yeni LED türleridir - ekonomik, minyatür, parlak. Kuantum noktalarının avantajları burada kullanılmaktadır, örneğin yüksek fotostabiliteleri (bunlara dayanarak oluşturulan cihazların uzun süreli çalışmasını garanti eder) ve herhangi bir renk sağlama yeteneği (dalga boyu ölçeğinde bir veya iki nanometre doğrulukla) ve herhangi bir renk sıcaklığı (2 Kelvin'den 10 bin ve üstüne kadar). Gelecekte LED'ler monitörler için çok ince, esnek ve yüksek görüntü kontrastına sahip ekranlar yapmak için kullanılabilir.

Kullanılmış literatürün listesi.

1.http://www.nanometer.ru/2007/06/06/quantum_dots_2650.html

1. Tananaev P.N., Dorofeev S.G., Vasiliev R.B., Kuznetsova T.A.. Bakır katkılı CdSe nanokristallerinin hazırlanması // İnorganik malzemeler. 2009. T. 45. No. 4. S. 393-398.
2. Oleynikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. Floresan yarı iletken nanokristaller

biyoloji ve tıpta // Nano. - 2007. - S. 160 173.

1. Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. Oranmetrik CdSe/ZnS Nanokristal pH Sensörü // J. Am. Kimya Soc.. - 2006. - V. 128. S. 13320 13321.
2. Kulbachinsky V. A. Yarı iletken kuantum noktaları // Soros eğitim dergisi. - 2001. - T. 7. - No. 4. - sayfa 98 - 104.

İndirmek:
Sunucumuzdan dosya indirme erişiminiz yok.

Mikroskobik boyuttaki herhangi bir madde, nanoteknoloji araştırmacıları tarafından bu küçük formdaki elementlerin kullanımına dayalı yeni teknolojiler tasarlamak ve yaratmak için kullanılan bir malzeme olan nanopartiküldür. Dikkatlice okuyoruz çünkü metnin özüne biraz dalmamız gerekecek.

Kuantum noktaları, ışıkla aydınlatıldığında belirli bir renkte parlayan, silikon, kadmiyum selenit, kadmiyum sülfür veya indiyum arsenit gibi herhangi bir yarı iletken malzemeden yapılmış nanopartiküllerdir.

Parıldadıkları renk nanopartikülün boyutuna bağlıdır. Farklı boyutlarda kuantumlar yerleştirerek, görüntü ekranının her pikselinde kırmızı, yeşil ve mavi renklerin varlığını elde etmek mümkündür, bu da bu piksellerde tam bir renk spektrumu oluşturulmasını mümkün kılar (mevcut herhangi bir renk, bu renkleri karıştırmak).

Kuantum noktaları UV ışığıyla aydınlatıldığında elektronların bir kısmı atomlardan kurtulmaya yetecek kadar enerji kazanır. Bu yetenek, elektronların malzeme içinde serbestçe hareket edebildiği ve elektriği iletebildiği bir iletim bölgesi oluşturarak nanoparçacık etrafında hareket etmelerine olanak tanır.

Elektronlar bir atomun etrafındaki dış yörüngeye (değerlik bandı) indiklerinde ışık yayarlar. Bu ışığın rengi iletim bandı ile valans bandı arasındaki enerji farkına bağlıdır.

Nanopartikül ne kadar küçük olursa, değerlik bandı ile iletim bandı arasındaki enerji farkı da o kadar yüksek olur ve bu da daha koyu bir mavi renkle sonuçlanır. Daha büyük bir nanoparçacık için değerlik bandı ile iletim bandı arasındaki enerji farkı daha düşüktür ve bu da emisyonu kırmızıya doğru kaydırır.

Kuantum noktaları ve ekranlar

LCD ekranların avantajları çoktur. LCD ekranların kuantum noktalardan aldığı en önemli ve ilginç özelliklere bakalım.

Daha yüksek tepe parlaklığı

Üreticilerin kuantum noktaları konusunda bu kadar heyecanlanmalarının nedenlerinden biri, diğer teknolojilere kıyasla çok daha yüksek tepe parlaklığına sahip ekranlar oluşturabilme yeteneğidir. Buna karşılık, artan tepe parlaklığı, HDR ve Dolby Vision'ı kullanmak için çok daha büyük fırsatlar sağlar.

Dolby Vision, yüksek dinamik aralığa, yani ekrandaki en parlak ve en karanlık nokta arasındaki ışık farkının çok büyük olduğu, görüntüyü daha gerçekçi ve kontrastlı hale getiren bir video standardıdır.

Bilmiyorsanız, geliştiriciler sürekli olarak Rab Tanrı'yı ​​\u200b\u200boynamaya ve onun yarattığı şeyi (veya etrafımızdaki tüm bunları, belki de evreni kimin yarattığını) yaratmaya çalışıyorlar, sadece onu ekrana aktarmak için.

Yani, örneğin açık bir günde tipik bir gökyüzünün parlaklığı yaklaşık 20.000 nit (bir parlaklık ölçüm birimi) iken en iyi TV'ler yaklaşık 10 nit daha az parlaklık sağlayabilir. Yani Dolby Vision standardı hala diğerlerinden önde ama yine de Yaratıcıdan çok uzaktalar :)

Buna göre kuantum nokta ekranlar daha parlak bir görüntüye doğru atılan bir diğer adımdır. Belki bir gün evimizden çıkmadan neredeyse gerçek gün doğumu ve/veya gün batımını ve belki başka eşsiz doğa harikalarını görebileceğiz.

En iyi renk sunumu

Kuantum noktalarının bir diğer büyük faydası da gelişmiş renk doğruluğudur. Her piksel kırmızı, mavi ve yeşil CT'ler içerdiğinden, tam bir renk paletine erişmenizi sağlar ve bu da herhangi bir rengin inanılmaz sayıda tonunu elde etmenize olanak tanır.

Mobil cihazlar için geliştirilmiş pil ömrü

Quantum dot ekranlar mükemmel görüntü kalitesinin yanı sıra son derece düşük güç tüketimini de vaat ediyor.

Kuantum noktaları ve Samsung QLED

Samsung'un kuantum noktalarını temel alan TV'ler ya da basitçe bu teknolojinin doğru anlaşılmasında aslında tamamen kuantum noktalarına dayalı değil. QLED daha çok bir hibrittir; kuantum noktaları ile LED ekranlar arasında bir şeydir. Neden? Bu TV'ler hala LED arka aydınlatma kullandığından ve gerçek bir kuantum nokta ekranında ışığın noktalar tarafından yaratılması gerekir.

Bu nedenle Güney Koreli devin yeni TV'leri geleneksel LED ekranlardan daha iyi performans gösterse bile bunlar yine de kuantum nokta TV değil, ışık filtresi yerine kuantum noktalı TV'lerdir.

Yorumlar:

“Nanoteknoloji” Rus dilinde karmaşık bir geçmişi ve bağlamı olan ve ne yazık ki biraz itibarsızlaşmış bir kelimedir. Ancak ironik sosyo-ekonomik imaları göz ardı edersek, nanoteknolojilerin son yıllarda bilimsel ve teorik bir kavramdan şekillenmeye başladığını ve öngörülebilir gelecekte gerçek ticari ürünler haline gelerek hayatımıza girebileceğini söyleyebiliriz.

Bunun harika bir örneği kuantum noktalarıdır. Yarı iletken nanoparçacıkları kullanan teknolojiler giderek tamamen farklı alanlarda uygulama buluyor: tıp, baskı, fotovoltaik, elektronik; ürünlerin bazıları hala prototip düzeyinde mevcut, bazı yerlerde teknoloji kısmen uygulandı ve bazıları zaten pratik kullanımda.

Peki “kuantum noktası” nedir ve neyle yenir?

Kuantum noktası, inorganik yarı iletken malzemeden (silikon, indiyum fosfit, kadmiyum selenit) oluşan bir nanokristaldir. “Nano”, milyarda bir parça olarak ölçülen anlamına gelir ve bu tür kristallerin boyutları 2 ila 10 nanometre arasında değişir. Küçük boyutlarından dolayı nanopartiküllerdeki elektronlar, toplu yarı iletkenlerdeki elektronlardan çok farklı davranır.

Bir kuantum noktasının enerji spektrumu heterojendir; bir elektron (negatif yüklü parçacık) ve bir delik için ayrı enerji seviyelerine sahiptir. Yarı iletkenlerdeki bir delik, sayısal olarak bir elektrona eşit pozitif yük taşıyıcısı olan doldurulmamış bir değerlik bağıdır, çekirdek ile elektron arasındaki bağ kırıldığında ortaya çıkar.

Kristaldeki yük taşıyıcının seviyeden seviyeye hareket ettiği koşullar yaratılırsa, bu geçiş sırasında bir foton yayılır. Parçacık boyutunu değiştirerek bu radyasyonun absorpsiyon frekansını ve dalga boyunu kontrol edebilirsiniz. Uygulamada bu, noktanın parçacık boyutuna bağlı olarak ışınlandığında farklı renklerde parlayacağı anlamına gelir.

Parçacık boyutu aracılığıyla radyasyonun dalga boyunu kontrol etme yeteneği, emdikleri enerjiyi ışık radyasyonuna (fotostabil fosforlar) dönüştüren kuantum noktalarından stabil maddeler elde etmeyi mümkün kılar.

Kuantum noktalarına dayalı çözümler, hassas, ayarlanabilir parlaklık gerektiren pratik uygulamalar için önemli olan bir dizi parametre açısından geleneksel organik ve inorganik fosforlardan üstündür.

Kuantum noktalarının avantajları:

• Fotostabildir, floresan özelliklerini birkaç yıl korur.
• Işıkla solmaya karşı yüksek direnç: Organik floroforlardan 100 – 1000 kat daha yüksektir.
• Yüksek kuantum floresans verimi - %90'a kadar.
• Geniş uyarılma spektrumu: UV'den IR'ye (400 – 200 nm).
• Yüksek floresans tepe noktaları (25-40 nm) nedeniyle yüksek renk saflığı.
• Kimyasal bozulmaya karşı yüksek direnç.

Özellikle baskı için bir başka avantaj, kuantum noktalarının, küçük parçacıkların dağıldığı sıvı bir ortama sahip, oldukça dağılmış koloidal sistemler olan solları yapmak için kullanılabilmesidir. Bu, inkjet baskıya uygun çözümler üretmek için kullanılabileceği anlamına geliyor.

Kuantum noktalarının uygulama alanları:

Belgelerin ve ürünlerin sahteciliğe karşı korunması: menkul kıymetler, banknotlar, kimlik kartları, pullar, mühürler, sertifikalar, sertifikalar, plastik kartlar, ticari markalar. Kuantum noktalarına dayanan çok renkli bir kodlama sistemi, gıda, ilaç, kimya endüstrisi, mücevher ve sanat eserlerindeki ürünlerin renkli markalanması için ticari olarak talep edilebilir.

Sıvı bazın su bazlı veya UV ile kürlenebilmesi nedeniyle, kuantum noktalı mürekkep kullanarak hemen hemen her nesneyi işaretleyebilirsiniz - kağıt ve diğer emici bazlar için - su bazlı mürekkep ve emici olmayanlar için (cam) , ahşap, metal, sentetik polimerler, kompozitler) – UV mürekkep.

Tıbbi ve biyolojik araştırmalarda işaretleyici. Belirli bir hücre tipine tepki veren biyolojik belirteçler, DNA ve RNA fragmanları kuantum noktaların yüzeyine uygulanabildiğinden, biyolojik çalışmalarda ve kanserin erken evrelerinde teşhis edilmesinde kontrast olarak kullanılabilirler. Tümör henüz standart teşhis yöntemleriyle tespit edilmediğinde.

Kuantum noktalarının in vitro tümör hücrelerini incelemek için floresan etiketler olarak kullanılması, biyotıpta kuantum noktalarının en umut verici ve hızla gelişen uygulama alanlarından biridir.

Bu teknolojinin kitlesel olarak benimsenmesini engelleyen tek şey, in vivo çalışmalarda kuantum nokta kontrastlarının kullanılmasının güvenliği sorunudur, çünkü bunların çoğu çok toksik malzemelerden yapılmıştır ve boyutları o kadar küçüktür ki, herhangi bir vücut bariyerini kolayca delebilirler.

Kuantum nokta görüntüleri: QLED – kuantum noktaları kullanarak LED arkadan aydınlatmalı LCD ekranlar oluşturmaya yönelik teknoloji, önde gelen elektronik üreticileri tarafından zaten test edilmiştir. Bu teknolojinin kullanılması, ekranın enerji tüketimini azaltmayı, ışık akısını LED ekranlara göre %25-30 artırmayı, daha zengin renkleri, net renk sunumunu, renk derinliğini ve ekranların ultra ince ve esnek hale getirilmesini mümkün kılıyor.

Bu teknolojiyi kullanan ilk ekranın prototipi Şubat 2011'de Samsung tarafından sunuldu ve ilk bilgisayar ekranı Philips tarafından piyasaya sürüldü.

Mavi LED'lerin emisyon spektrumundan kırmızı ve yeşil renkler üretmek için kuantum noktaları kullanır, bu da doğala yakın renk sunumu sağlar. 2013 yılında Sony, aynı prensiple çalışan bir QLED ekranı piyasaya sürdü. Şu anda, büyük ekranların üretimine yönelik bu teknoloji, yüksek üretim maliyeti nedeniyle yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Kuantum nokta lazeri. Yayma bölgesindeki çalışma ortamı kuantum noktaları olan bir lazer, kuantum kuyularına dayalı geleneksel yarı iletken lazerlerle karşılaştırıldığında çok sayıda avantaja sahiptir. Frekans bandı ve gürültü yoğunluğu açısından daha iyi özelliklere sahiptirler ve sıcaklık değişimlerine daha az duyarlıdırlar.

Kuantum noktasının bileşiminin ve boyutunun değiştirilmesi, böyle bir lazerin aktif ortamının kontrol edilmesini mümkün kıldığından, daha önce erişilemeyen dalga boylarında çalışmak mümkün hale geldi. Bu teknoloji tıpta pratikte aktif olarak kullanılmaktadır; onun yardımıyla bir lazer neşter yaratılmıştır.

Enerji

Kuantum noktalarına dayalı olarak çeşitli ince film güneş pili modelleri de geliştirilmiştir. Bunlar aşağıdaki çalışma prensibine dayanmaktadır: ışık fotonları, kuantum noktaları içeren bir fotovoltaik malzemeye çarparak, enerjisi bir elektron için gereken minimum enerjiye eşit veya bu enerjiyi aşan bir çift elektron ve deliğin görünümünü uyarır. Bağlı durumdan serbest duruma geçmek için verilen yarı iletken. Malzemenin nanokristallerinin boyutu değiştirilerek fotovoltaik malzemenin "enerji performansı" değiştirilebilir.

Bu prensibe dayanarak, çeşitli güneş panelleri türlerinin birkaç orijinal çalışma prototipi halihazırda oluşturulmuştur.

2011 yılında Notre Dame Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, uygulandığında herhangi bir nesneyi güneş piline dönüştürebilen titanyum dioksit bazlı bir "güneş boyası" önerdiler. Oldukça düşük bir verime sahiptir (sadece %1), ancak üretimi ucuzdur ve büyük miktarlarda üretilebilir.

2014 yılında, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden bilim adamları, ultra ince kuantum nokta katmanlarından güneş pilleri üretmeye yönelik bir yöntem sundular; bunların geliştirilmesinin verimliliği% 9'dur ve ana bilgi birikimi, kuantum noktalarını bir filmde birleştirme teknolojisinde yatmaktadır. .

2015 yılında, Los Alamos'taki İleri Güneş Fotovoltaik Teknolojileri Merkezi Laboratuvarı, oldukça geniş bir alanı kaplayabilen şeffaf bir ışıldayan kuantum yoğunlaştırıcıdan oluşan ve kompakt olan % 3,2 verimli pencere-güneş panelleri projesini önerdi. güneş fotoselleri.

Ancak Amerikan Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'ndan (NREL) maksimum kuantum verimliliğine sahip bir hücre üretmek için en uygun metal kombinasyonunu arayan araştırmacılar, gerçek bir performans rekoru sahibi yarattı - testlerde pillerinin iç ve dış kuantum verimliliği 114'tü. sırasıyla % ve %130.

Bu parametreler, şu anda nispeten küçük bir yüzdeyi (sadece %4,5) gösteren pilin verimliliği değildir; ancak, yalnızca en etkili öğe kombinasyonunun seçilmesinden oluşan çalışmanın ana hedefi, fotoğraf akışı koleksiyonunu optimize etmek değildi. . Bununla birlikte, NREL deneyinden önce hiçbir pilin %100'ün üzerinde bir kuantum verimliliği göstermediğini belirtmekte fayda var.

Gördüğümüz gibi kuantum noktalarının potansiyel pratik uygulama alanları geniş ve çeşitlidir; teorik gelişmeler aynı anda birkaç yönde gerçekleştirilmektedir. Çeşitli alanlarda kitlesel olarak tanıtılmaları bir takım sınırlamalar nedeniyle engellenmektedir: noktaların kendilerinin üretilmesinin yüksek maliyeti, toksisiteleri, kusurları ve üretim teknolojisinin kendisinin ekonomik uygunsuzluğu.

Çok yakın gelecekte kuantum noktalarına dayalı bir renk kodlama ve mürekkep işaretleme sistemi yaygınlaşabilir. Bu pazar nişinin henüz işgal edilmediğini, ancak umut verici ve bilgi yoğun olduğunu fark eden IQDEMY şirketi, kimya laboratuvarının (Novosibirsk) araştırma görevlerinden biri olarak, UV ile kürlenebilen mürekkebin en uygun formülasyonunun geliştirilmesini belirledi. ve kuantum noktaları içeren su bazlı mürekkep.

Alınan ilk baskı örnekleri etkileyici ve bu teknolojinin pratik gelişimi için yeni fırsatlar sunuyor:

Pek çok yeni ekran teknolojisi uluslararası sergilerde sergileniyor ancak bunların hepsi uygulanabilir değil veya başarılı ticari uygulama için uygun yeteneklere sahip değil. Hoş istisnalardan biri, halihazırda LCD ekranların arka aydınlatmasında kullanılan kuantum nokta teknolojisidir. Bu teknik yenilik hakkında daha ayrıntılı olarak konuşmaya değer.

Kuantum noktaları

Kuantum noktaları yarı iletken malzemelerin nanopartikülleridir. Parametreleri boyutlarına göre belirlenir: kristalin boyutu azaldıkça enerji seviyeleri arasındaki mesafe artar. Bir elektron daha düşük bir seviyeye hareket ettiğinde bir foton yayılır. Noktanın boyutunu değiştirerek foton enerjisini ve bunun sonucunda ışığın rengini ayarlayabilirsiniz.

Bu yeni bir keşif değil; aslında kuantum noktaları otuz yıldan fazla bir süre önce yaratılmıştı. Ancak yakın zamana kadar yalnızca laboratuvarlardaki özel bilimsel cihazlarda kullanılıyorlardı. Kesin olarak konuşursak, kuantum noktaları dar bir dalga boyu aralığında ışık yayabilen mikroskobik elementlerdir. Üstelik boyutlarına bağlı olarak ışık yeşil, kırmızı veya mavi olabilir.

Boyutlarını değiştirerek yayılan ışığın dalga boyunu hassas bir şekilde kontrol edebilirsiniz. Modern TV modellerinde kullanılan bu teknolojinin tarihi QD Vision şirketinin kurulduğu 2004 yılına kadar uzanıyor. Başlangıçta bu araştırma laboratuvarının personeli, çeşitli biyolojik sistemleri işaretlerken organik boyaların yerine kuantum noktalarını kullanmayı denedi, ancak daha sonra teknolojiyi televizyonlarda denemeye karar verdiler.

Tanınmış şirketler de kısa sürede bu fikre katıldı. Özellikle 2010 yılında araştırmacılar QLED projesinde LG ile birlikte çalıştılar. Ancak LCD TV'lerle ilgili teknoloji kavramı sürekli değişime uğradı, çalışma adı da birkaç kez değişti. Bir yıl sonra Samsung ile işbirliği içinde kuantum noktalarına dayanan renkli bir ekranın prototipi oluşturuldu. Ancak diziye girmedi. Bu konseptin en son uygulaması, Triluminos arkadan aydınlatmalı ekranı tanıtan Sony'nin Color IQ teknolojisinin bir parçasıdır.

Bildiğiniz gibi tüm LCD TV'ler, temel renkleri (kırmızı, yeşil ve mavi) (RGB modeli) karıştırarak bir görüntü oluşturur. Bazen sarı eklenir, ancak bu, LCD ekranda resim oluşturma sistemini önemli ölçüde etkilemez. LCD TV'lerde RGB renk karışımı, renk filtreleri kullanılarak ve plazma panellerde fosfor sayesinde gerçekleştirilir.

Klasik LCD modellerinde arka ışık olarak “beyaz” LED'ler kullanılır. Beyaz spektrumundaki renk, renk filtrelerinden geçerek belli bir ton verir. Daha gelişmiş modellerde mavi bölgede ışık yayan fosfor LED'ler kullanılır. Bu ışık daha sonra sarı ile karışarak görsel olarak beyaz hale gelir. Ekranda benzer beyaz renklerden oluşturmak için sırasıyla kırmızı, mavi ve yeşil filtreler kullanılır. Bu oldukça etkilidir ancak yine de çok fazla enerji harcar. Ayrıca mühendislerin burada renksel geriverim kalitesi ile arka ışık parlaklığı arasında belirli bir denge araması gerekiyor.

Kuantum nokta TV'lerin avantajları

Sony, iki yıl önce ilk kez kuantum noktaları kullanan Triluminos arka aydınlatmalı seri üretilen televizyon cihazı modellerini piyasaya sürdü. Bu özellikle KD-65X9000A'dır. Arka ışık mavi diyotlar kullanıyor ancak sarı fosfor yok. Sonuç olarak mavi ışık, karışmadan doğrudan kırmızı ve yeşil kuantum noktaları içeren özel bir IQ elemanından geçer. Üretici, teknolojinin ana avantajlarını daha derin renk sunumu ve parlaklık kayıplarının en aza indirilmesi olarak adlandırıyor.

LED arka aydınlatmaya kıyasla kuantum noktalarının renk gamında neredeyse yüzde 50 oranında artış sağlaması bekleniyor. Triluminos arka aydınlatmalı yeni Sony TV'lerin renk gamı ​​%100 NTSC'ye yakınken, normal arka aydınlatmalı modeller yaklaşık %70 NTSC'ye sahiptir. Böylece kuantum nokta arkadan aydınlatmalı TV'lerin gerçekten de görüntü kalitesini artırarak renk üretimini daha gerçekçi hale getirebileceği ifade edilebilir.

Ama ne kadar daha gerçekçi? Sonuçta, aynı Sony TV'lerde resmin, renkleri karıştıran olağan filtreler kullanılarak oluşturulduğu biliniyor mu? Bu soruyu cevaplamak oldukça zordur; büyük ölçüde görüntü kalitesinin öznel algısına bağlıdır. Her durumda, yeni arka aydınlatmaya sahip ilk Sony TV'lerin mutlu sahipleri, ekrandaki görüntünün daha saf renkli boyalarla boyanmış bir tabloya benzediğini belirtiyor.

Diğer önde gelen şirketlerin de bu teknolojik yeniliğin uygulanmasına hemen katılması, kuantum noktalarının yalnızca bir pazarlama taktiği olmadığı gerçeğini doğruluyor. Samsung, CES 2015'te benzer teknolojiyi uygulayan SUHD TV'lerini tanıttı. Yeni TV'lerin OLED modellere göre daha düşük fiyata daha yüksek görüntü kalitesi sağladığı belirtiliyor. LG ayrıca ULTRA HD fuarında kuantum nokta teknolojisine (Quantum Dot) sahip TV'leri de tanıttı.

OLED ile karşılaştırma tesadüfi değil. Sonuçta birçok şirket, modern TV'lerin görüntü kalitesini iyileştirmenin bir yolu olarak ilk olarak OLED teknolojisine yöneldi, ancak seri olarak piyasaya sürüldüğünde üretimlerinde sorunlarla karşılaştı. Bu özellikle geniş ekran köşegenlerine ve ultra yüksek çözünürlüğe sahip OLED TV'ler için geçerlidir.

Kuantum noktaları biçiminde bir tür yedekleme seçeneği bulundu - bu tür TV'lerdeki renk gamı ​​​​neredeyse OLED ekranlardaki kadar iyidir ve teknolojinin endüstriyel gelişimiyle ilgili neredeyse hiçbir sorun yoktur. Bu, şirketlerin görüntü kalitesinde OLED teknolojisine rakip olacak ve aynı zamanda geniş bir tüketici kitlesi için uygun fiyatlı TV'ler üretmesine olanak tanıyor.