A kvantumpontok egy új technológia a kijelzők előállításában. Mi az a QD TV, hol keressük a „kvantumpontokat”, és miért mutatnak jobban

01.10.2019

2018. június 14

A kvantumpont egy vezető vagy félvezető töredéke, amelynek töltéshordozói (elektronok vagy lyukak) mindhárom dimenzióban térben korlátozottak. A kvantumpont méretének elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy a kvantumhatások jelentősek legyenek. Ez akkor érhető el, ha az elektron kinetikus energiája észrevehetően nagyobb, mint az összes többi energiaskálánál: először is nagyobb, mint a hőmérséklet, energiaegységekben kifejezve. A kvantumpontokat először az 1980-as évek elején Alekszej Ekimov szintetizálta üvegmátrixban és Louis E. Brous kolloid oldatokban.

A "kvantumpont" kifejezést Mark Reed alkotta meg.

A kvantumpont energiaspektruma diszkrét, és a töltéshordozó stacioner energiaszintjei közötti távolság magának a kvantumpontnak a méretétől függ: - ħ/(2md^2), ahol:
ħ—redukált Planck-állandó;
d a pont jellemző mérete;
m az elektron effektív tömege egy pontban

Ha beszélünk egyszerű nyelven akkor a kvantumpont olyan félvezető, amelynek elektromos jellemzői a méretétől és alakjától függenek.
Például, amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre mozog, foton bocsát ki; Mivel beállíthatja a kvantumpont méretét, megváltoztathatja a kibocsátott foton energiáját is, és ezáltal megváltoztathatja a kvantumpont által kibocsátott fény színét is.

A kvantumpontok típusai
Két típusa van:
epitaxiális kvantumpontok;
kolloid kvantumpontok.

Valójában a megszerzésükhöz használt módszerekről kapták a nevüket. miatt nem beszélek róluk részletesen nagy mennyiség kémiai kifejezések. Csak annyit teszek hozzá, hogy kolloid szintézissel adszorbeált felületaktív molekulákból álló réteggel bevont nanokristályokat lehet előállítani. Így szerves oldószerekben, illetve módosítás után poláris oldószerekben is oldódnak.

Kvantumpontos kialakítás
A kvantumpont általában egy félvezető kristály, amelyben kvantumhatások valósulnak meg. Egy ilyen kristályban lévő elektron úgy érzi, mintha egy háromdimenziós potenciálkútban lenne, és sok álló energiaszinttel rendelkezik. Ennek megfelelően, amikor egyik szintről a másikra haladunk, a kvantumpont fotont bocsáthat ki. Mindezek mellett az átmenetek könnyen szabályozhatók a kristály méreteinek változtatásával. Lehetőség van arra is, hogy egy elektront magas energiaszintre vigyünk át, és sugárzást kapjunk az alacsonyabban fekvő szintek közötti átmenetből, és ennek eredményeként lumineszcenciát kapunk. Valójában ennek a jelenségnek a megfigyelése szolgált a kvantumpontok első megfigyeléseként.

Most a kijelzőkről
A teljes értékű kijelzők története 2011 februárjában kezdődött, amikor a Samsung Electronics bemutatta a QLED kvantumpontokra épülő színes kijelző fejlesztését. Ez egy 4 hüvelykes, aktív mátrixszal vezérelt kijelző volt, i.e. Minden egyes színes kvantumpont pixel egy vékonyréteg tranzisztorral be- és kikapcsolható.

A prototípus elkészítéséhez egy réteg kvantumpont oldatot visznek fel egy szilícium áramköri lapra, és oldószert permeteznek rá. Ezután egy fésűs felületű gumibélyegzőt préselnek a kvantumpontok rétegébe, szétválasztják és üvegre vagy rugalmas műanyagra bélyegzik. Így kerülnek kvantumpontokból álló csíkok egy hordozóra. A színes kijelzőkben minden képpont tartalmaz egy piros, zöld vagy kék alpixelt. Ennek megfelelően ezeket a színeket különböző intenzitással használják, hogy minél több árnyalatot kapjanak.

A fejlesztés következő lépése a bangalore-i Indiai Tudományos Intézet tudósainak cikkének publikálása volt. Hol írták le azokat a kvantumpontokat, amelyek nem csak lumineszkálnak? narancs, hanem a sötétzöldtől a vörösig terjedő tartományban is.

Miért rosszabb az LCD?
A fő különbség a QLED kijelző és az LCD között, hogy utóbbi a színtartománynak csak 20-30%-át tudja lefedni. Ezenkívül a QLED TV-kben nincs szükség fényszűrőkkel ellátott réteg használatára, mivel a kristályok, amikor feszültséget kapcsolnak rájuk, mindig világosan meghatározott hullámhosszú és ennek eredményeként azonos színértékű fényt bocsátanak ki.

A folyadékkristályos kijelzők 5 rétegből állnak: a forrás a LED-ek által kibocsátott fehér fény, amely több polarizáló szűrőn halad át. Az elöl és hátul elhelyezett szűrők a folyadékkristályokkal együtt szabályozzák az átmenő fényáramot, csökkentve vagy növelve annak fényerejét. Ez a pixel tranzisztoroknak köszönhető, amelyek befolyásolják a szűrőkön (piros, zöld, kék) áthaladó fény mennyiségét.

Ennek a három alpixelnek a generált színe, amelyre szűrőket alkalmazunk, a pixel bizonyos színértékét adja meg. A színkeverés meglehetősen gördülékenyen megy végbe, de egyszerűen lehetetlen így tiszta vöröset, zöldet vagy kéket kapni. A buktatók azok a szűrők, amelyek nem csak egy bizonyos hosszúságú hullámot továbbítanak, hanem egész sor különböző hullámhosszak. Például a narancssárga fény egy piros szűrőn is áthalad.

Érdemes megjegyezni, hogy a kvantumpontok alkalmazási köre nem korlátozódik egyebek mellett a LED-monitorokra, felhasználhatók térhatású tranzisztorokban, fotocellákban, lézerdiódákban, valamint az orvostudományban és a kvantumszámítástechnikában való felhasználásuk lehetősége; is tanulmányozzák.

A LED fényt bocsát ki, ha feszültséget kapcsolnak rá. Ennek köszönhetően az (e) elektronok az N típusú anyagból a P típusú anyagba kerülnek. Az N típusú anyag több elektronszámú atomokat tartalmaz. A P-típusú anyag olyan atomokat tartalmaz, amelyekből hiányoznak elektronok. Amikor a felesleges elektronok belépnek az utóbbiba, energiát szabadítanak fel fény formájában. A hagyományos félvezető kristályoknál ez jellemzően fehér fény, amelyet sok különböző hullámhossz állít elő. Ennek az az oka, hogy az elektronok különböző energiaszintűek lehetnek. Ennek eredményeként a keletkező fotonok (P) eltérő energiájúak, ami eltérő hullámhosszú sugárzást eredményez.

Fénystabilizálás kvantumpontokkal
A QLED tévék kvantumpontokat használnak fényforrásként – ezek csak néhány nanométer méretű kristályok. Ilyenkor nincs szükség fényszűrőkkel ellátott rétegre, hiszen feszültség alá helyezéskor a kristályok mindig világosan meghatározott hullámhosszúságú, így színértékű fényt bocsátanak ki. Ezt a hatást egy kvantumpont apró mérete éri el, amelyben az elektron, akárcsak az atomban, csak korlátozott térben képes mozogni. Az atomhoz hasonlóan a kvantumpont elektronja is csak szigorúan meghatározott energiaszinteket foglalhat el. Tekintettel arra, hogy ezek az energiaszintek az anyagtól is függenek, lehetővé válik a kvantumpontok optikai tulajdonságainak specifikus hangolása. Például a vörös szín eléréséhez kadmium, cink és szelén ötvözetéből (CdZnSe) származó kristályokat használnak, amelyek mérete körülbelül 10-12 nm. Kadmium és szelén ötvözet alkalmas sárga, zöld és kék színek, ez utóbbi cink és kén vegyületéből 2-3 nm méretű nanokristályok felhasználásával is előállítható.

A kék kristályok tömeggyártása nagyon nehéz és drága, ezért a Sony által 2013-ban bemutatott tévé nem egy kvantumpontokra épülő „telivér” QLED tévé. Kijelzőik hátulján kék LED-réteg található, amelyek fénye vörös és zöld nanokristályok rétegén halad át. Ennek eredményeként lényegében lecserélik a jelenleg elterjedt fényszűrőket. Ennek köszönhetően a színskála 50%-kal nő a hagyományos LCD TV-khez képest, de nem éri el a „tiszta” QLED képernyő szintjét. Utóbbiak a szélesebb színskála mellett van még egy előnyük: energiát takarítanak meg, hiszen nincs szükség fényszűrős rétegre. Ennek köszönhetően a QLED tévék képernyőjének eleje is több fényt kap, mint a hagyományos tévékben, amelyek a fényáramnak csak körülbelül 5%-át továbbítják.

A tudósok elméletet dolgoztak ki a kvantumpontok széles körben elterjedt osztályának kialakulására, amelyeket kadmiumot és szelént tartalmazó vegyületekből nyernek. 30 éve ezen a területen a fejlesztések nagymértékben a próbálkozásokon és tévedéseken alapulnak. A cikk a Nature Communications folyóiratban jelent meg.

A kvantumpontok olyan nanoméretű kristályos félvezetők, amelyek figyelemre méltó optikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeket már a kutatás és a technológia számos területén alkalmaztak. Tulajdonságaik az ömlesztett félvezetők és az egyedi molekulák között vannak. A nanorészecskék szintézisének folyamatában azonban továbbra is tisztázatlan szempontok maradtak, mivel a tudósok nem tudták teljesen megérteni, hogyan hatnak egymásra a reagensek, amelyek közül néhány nagyon mérgező.

Todd Krauss és Lee Frenette, a Rochesteri Egyetem munkatársa ezen kíván változtatni. Különösen azt találták, hogy a szintézisreakció során mérgező vegyületek jelennek meg, amelyeket 30 évvel ezelőtt használtak az első kvantumpontok előállításához. „Lényegében „visszamentünk a jövőbe” a felfedezésünkkel” – magyarázza Krauss. „Kiderült, hogy a ma használt biztonságosabb reagensek pontosan olyan anyagokká alakulnak, amelyek használatát évtizedek óta igyekeznek elkerülni. Ezek viszont reagálva kvantumpontokat képeznek."

Először is, csökkenti a kadmium- vagy szelénalapú kvantumpontok előállításával járó találgatásokat, ami következetlenségekhez és reprodukálhatatlansághoz vezetett, ami hátráltatta az ipari alkalmazások keresését.
Másodszor, figyelmeztetni fogja a nagyszabású kvantumpont szintézissel foglalkozó kutatókat és cégeket, hogy még mindig olyan veszélyes anyagokkal van dolguk, mint a hidrogén-szelenid és az alkil-kadmium komplexek, bár implicit módon.
Harmadszor, tisztázni fogja a kvantumpontok szintézisére szolgáló számos folyamatban használt foszfinok kémiai tulajdonságait. magas hőmérsékletű.

Források:

A kisdimenziós félvezető heterostruktúrák fizikájának legfontosabb objektumai az úgynevezett kvázi-nulladimenziós rendszerek vagy kvantumpontok. Adni pontos meghatározás A kvantumpontok meglehetősen bonyolultak. Ennek az az oka, hogy a fizikai irodalomban a kvantumpontok a kvázi nulldimenziós rendszerek széles osztályát jelentik, amelyekben az elektronok, lyukak és excitonok energiaspektrumának méretkvantálásának hatása megnyilvánul. Ebbe az osztályba elsősorban a félvezető kristályok tartoznak, amelyeknél mindhárom térbeli dimenzió az ömlesztett anyagban lévő exciton Bohr-sugár nagyságrendjében van. Ez a meghatározás feltételezi, hogy a kvantumpont vákuum-, gáz- vagy folyékony környezetben van, vagy más szilárd anyagra korlátozódik, mint az az anyag, amelyből készült. Ebben az esetben a kvantumpontokban az elemi gerjesztések háromdimenziós térbeli korlátja az interfészek jelenlétének köszönhető. különféle anyagokés a környezetek, azaz a heterohatárok megléte. Az ilyen kvantumpontokat gyakran mikro- vagy nanokristályoknak nevezik. Ez az egyszerű definíció azonban nem teljes, mivel vannak olyan kvantumpontok, amelyekhez egy vagy két dimenzióban nincs heterointerfész. Ennek ellenére az elektronok, lyukak vagy excitonok mozgása az ilyen kvantumpontokban térben korlátozott a potenciálkutak jelenléte miatt, amelyek például a mechanikai feszültségek vagy a félvezető rétegek vastagságának ingadozása miatt keletkeznek. Ebben az értelemben azt mondhatjuk, hogy kvantumpont bármely olyan háromdimenziós potenciál, amely félvezető anyaggal van kitöltve, jellemző méretekkel, amelyben az elektronok, lyukak és excitonok mozgása térben három dimenzióban korlátozott.

Kvantumpont gyártási módszerek

A különböző kvantumpontok sokfélesége között több fő típus is megkülönböztethető, amelyeket leggyakrabban kísérleti vizsgálatokban és alkalmazásokban használnak. Mindenekelőtt ezek folyadékokban lévő nanokristályok, üvegek és széles résű dielektrikumok mátrixai (1. ábra). Ha üvegmátrixban termesztik, általában gömb alakúak. Egy ilyen szilikátüvegbe ágyazott CuCl kvantumpontokból álló rendszerben fedezték fel először az excitonok háromdimenziós méretkvantálásának hatását az egyfotonos abszorpció vizsgálatakor. Ez a munka a kvázi nulldimenziós rendszerek fizikája gyors fejlődésének kezdetét jelentette.

1. ábra.

A kristályos dielektromos mátrixban lévő kvantumpontok lehetnek téglalap alakú paralelepipedonok, akárcsak a NaCl-be ágyazott CuCl-alapú kvantumpontok. A nanokristályok szintén kvantumpontok, amelyeket cseppepitaxiával félvezető mátrixokban növesztettek.

A kvantumpontok másik fontos típusa az úgynevezett önszerveződő kvantumpontok, amelyeket Sztranski-Krastanov módszerrel állítanak elő molekuláris nyaláb epitaxiás technikával (2. ábra). Az övék jellegzetes tulajdonsága az, hogy egy ultravékony nedvesíthető rétegen keresztül kapcsolódnak egymáshoz, amelynek anyaga egybeesik a kvantumpontok anyagával. Így ezekből a kvantumpontokból hiányzik az egyik heterointerfész. Ez a típus elvileg tartalmazhat porózus félvezetőket, például porózus Si-t, valamint a vékony félvezetőrétegekben lévő potenciállyukakat, amelyek a rétegek vastagságának ingadozása miatt keletkeznek.

2. ábra.

3. ábra. Szerkezet mechanikai feszültség által kiváltott InGaAs kvantumpontokkal. 1 - lefedő GaAs réteg; 2 - önszerveződő InP kvantumpontok, amelyek mechanikai feszültségeket állítanak be, ami háromdimenziós potenciálkutak megjelenéséhez vezet az InGaAs rétegben; 3. és 6. - GaAs pufferrétegek; 4 - vékony InGaAs kvantumkút, amelyben mechanikai feszültség által indukált kvantumpontok képződnek; 5 - kvantumpontok; 7 - GaAs szubsztrát. A szaggatott vonalak a mechanikai igénybevételi profilokat mutatják.

A mechanikai igénybevétel által kiváltott kvantumpontok a harmadik típusba sorolhatók (3. ábra). Vékony félvezető rétegekben jönnek létre a mechanikai feszültségek következtében, amelyek a heterointerfész anyagok rácsállandóinak eltéréséből adódnak. Ezek a mechanikai feszültségek az elektronok, lyukak és excitonok háromdimenziós potenciálkútjának megjelenéséhez vezetnek egy vékony rétegben. ábrából 3. Nyilvánvaló, hogy az ilyen kvantumpontoknak nincs kétirányú heterointerfésze.

Jó napot, Habrazhiteliki! Szerintem sokan észrevették, hogy egyre gyakrabban kezdtek megjelenni a kvantumpont technológián alapuló kijelzőkről, az úgynevezett QD – LED (QLED) kijelzőkről szóló reklámok, és annak ellenére, hogy Ebben a pillanatban ez csak marketing. A LED TV-hez és a Retinához hasonlóan ez az LCD-kijelzők létrehozására szolgáló technológia, amely kvantumpont-alapú LED-eket használ háttérvilágításként.

Alázatos szolgád úgy döntött, hogy kitalálja, mik azok a kvantumpontok, és mire használják őket.

Ahelyett, hogy bemutatnánk

Kvantumpont- vezető vagy félvezető töredéke, amelynek töltéshordozói (elektronok vagy lyukak) mindhárom dimenzióban térben korlátozottak. A kvantumpont méretének elég kicsinek kell lennie ahhoz, hogy a kvantumhatások jelentősek legyenek. Ez akkor érhető el, ha az elektron kinetikus energiája észrevehetően nagyobb, mint az összes többi energiaskálánál: először is nagyobb, mint a hőmérséklet, energiaegységekben kifejezve. A kvantumpontokat először az 1980-as évek elején Alekszej Ekimov szintetizálta üvegmátrixban és Louis E. Brous kolloid oldatokban. A "kvantumpont" kifejezést Mark Reed alkotta meg.

A kvantumpont energiaspektruma diszkrét, és a töltéshordozó stacioner energiaszintjei közötti távolság magának a kvantumpontnak a méretétől függ: -h/(2md^2), ahol:

h - redukált Planck-állandó;
d a pont jellemző mérete;
m az elektron effektív tömege egy pontban

Egyszerűen fogalmazva, a kvantumpont egy félvezető, amelynek elektromos jellemzői a méretétől és alakjától függenek.

Például, amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre mozog, foton bocsát ki; Mivel beállíthatja a kvantumpont méretét, megváltoztathatja a kibocsátott foton energiáját is, és ezáltal megváltoztathatja a kvantumpont által kibocsátott fény színét is.

A kvantumpontok típusai

Két típusa van:

epitaxiális kvantumpontok;
kolloid kvantumpontok.

Valójában a megszerzésükhöz használt módszerekről kapták a nevüket. A kémiai kifejezések nagy száma miatt nem beszélek róluk részletesen (a Google segít). Csak annyit teszek hozzá, hogy kolloid szintézissel adszorbeált felületaktív molekulákból álló réteggel bevont nanokristályokat lehet előállítani. Így szerves oldószerekben, illetve módosítás után poláris oldószerekben is oldódnak.

Kvantumpontos kialakítás

A kvantumpont általában egy félvezető kristály, amelyben kvantumhatások valósulnak meg. Egy ilyen kristályban lévő elektron úgy érzi, mintha egy háromdimenziós potenciálkútban lenne, és sok álló energiaszinttel rendelkezik. Ennek megfelelően, amikor egyik szintről a másikra haladunk, a kvantumpont fotont bocsáthat ki. Mindezek mellett az átmenetek könnyen szabályozhatók a kristály méreteinek változtatásával. Lehetőség van arra is, hogy egy elektront magas energiaszintre vigyünk át, és sugárzást kapjunk az alacsonyabban fekvő szintek közötti átmenetből, és ennek eredményeként lumineszcenciát kapunk. Valójában ennek a jelenségnek a megfigyelése szolgált a kvantumpontok első megfigyeléseként.

Most a kijelzőkről

A teljes értékű kijelzők története 2011 februárjában kezdődött, amikor a Samsung Electronics bemutatta a QLED kvantumpontokra épülő színes kijelző fejlesztését. Ez egy 4 hüvelykes, aktív mátrixszal vezérelt kijelző volt, i.e. Minden egyes színes kvantumpont pixel egy vékonyréteg tranzisztorral be- és kikapcsolható.

A fejlesztés következő lépése a bangalore-i Indiai Tudományos Intézet tudósainak cikkének publikálása volt. Ahol kvantumpontokat írtak le, amelyek nem csak narancssárgán, hanem a sötétzöldtől a vörösig terjedő tartományban is világítanak.

Miért rosszabb az LCD?

A fő különbség a QLED kijelző és az LCD között, hogy utóbbi a színtartománynak csak 20-30%-át tudja lefedni. Ezenkívül a QLED TV-kben nincs szükség fényszűrőkkel ellátott réteg használatára, mivel a kristályok, amikor feszültséget kapcsolnak rájuk, mindig világosan meghatározott hullámhosszú és ennek eredményeként azonos színértékű fényt bocsátanak ki.

Volt hír arról is, hogy Kínában értékesítenek egy kvantumpontokra épülő számítógépes kijelzőt. Sajnos nem volt alkalmam saját szememmel ellenőrizni, ellentétben a tévében.

P.S.Érdemes megjegyezni, hogy a kvantumpontok alkalmazási köre nem korlátozódik egyebek mellett a LED-monitorokra, felhasználhatók térhatású tranzisztorokban, fotocellákban, lézerdiódákban, valamint az orvostudományban és a kvantumszámítástechnikában való felhasználásuk lehetősége; is tanulmányozzák.

P.P.S. Ha már az én személyes véleményemről beszélünk, akkor úgy gondolom, hogy a következő tíz évben nem lesznek népszerűek, nem azért, mert kevéssé ismertek, hanem azért, mert ezeknek a kijelzőknek az árai az egekbe szöknek, de továbbra is remélem, a pontok megtalálják majd alkalmazásukat az orvostudományban, és nem csak a profit növelésére, hanem jó célokra is felhasználják.

A 20. század második felében megjelent számos spektroszkópiai módszer - elektron- és atomerőmikroszkópia, mágneses magrezonancia spektroszkópia, tömegspektrometria - úgy tűnik, hogy a hagyományos optikai mikroszkópia már régen „nyugdíjba vonult”. A fluoreszcencia jelenség ügyes felhasználása azonban nemegyszer meghosszabbította a „veterán” életét. Ez a cikk arról fog szólni kvantumpontok(fluoreszcens félvezető nanokristályok), amelyek új erőt leheltek az optikai mikroszkópiába, és lehetővé tették, hogy a hírhedt diffrakciós határon túlra tekintsenek. Egyedi fizikai tulajdonságok A kvantumpontok ideális eszközzé teszik biológiai objektumok ultraérzékeny többszínű rögzítéséhez, valamint orvosi diagnosztikához.

A munka ötleteket ad a kvantumpontok egyedi tulajdonságait meghatározó fizikai elvekről, a nanokristályok felhasználásának alapötleteiről és perspektíváiról, és szó esik már elért eredményeket alkalmazásaik a biológiában és az orvostudományban. A cikk a Bioszerves Kémiai Intézet Molekuláris Biofizikai Laboratóriumában az elmúlt években végzett kutatások eredményein alapul. MM. Shemyakin és Yu.A. Ovchinnikova a Reimsi Egyetemmel és a fehéroroszokkal együtt Állami Egyetem, melynek célja biomarker technológia új generációjának kifejlesztése a klinikai diagnosztika különböző területein, beleértve a rák és az autoimmun betegségeket, valamint új típusú nanoszenzorok létrehozása számos orvosbiológiai paraméter egyidejű rögzítésére. A mű eredeti változata a Nature folyóiratban jelent meg; bizonyos mértékig a cikk az IBCh RAS Fiatal Tudósok Tanácsának második szemináriumán alapul. - Szerk.

I. rész, elméleti

1. ábra Diszkrét energiaszintek nanokristályokban."Szilárd" félvezető ( bal) van egy vegyértéksávja és egy vezetési sávja, amelyeket sávköz választ el Például. Félvezető nanokristály ( jobb oldalon) diszkrét energiaszintek jellemzik, hasonlóan egyetlen atom energiaszintjéhez. Nanokristályban Például a méret függvénye: a nanokristály méretének növekedése csökkenéshez vezet Például.

A részecskeméret csökkentése annak az anyagnak a megnyilvánulásához vezet, amelyből készült. Ennek oka a kvantummechanikai hatások, amelyek a töltéshordozók mozgásának térbeli korlátozottsága esetén keletkeznek: a hordozók energiája ebben az esetben diszkrétté válik. Az energiaszintek száma pedig, amint azt a kvantummechanika tanítja, a „potenciálkút” méretétől, a potenciálgát magasságától és a töltéshordozó tömegétől függ. A „kút” méretének növekedése az energiaszintek számának növekedéséhez vezet, amelyek egyre közelebb kerülnek egymáshoz, mígnem egyesülnek és az energiaspektrum „szilárd” lesz (1. ábra). A töltéshordozók mozgása korlátozható egy koordináta mentén (kvantumfilmek kialakítása), két koordináta mentén (kvantumhuzalok vagy -szálak) vagy mindhárom irányban - ezek lesznek kvantumpontok(CT).

A félvezető nanokristályok köztes szerkezetek a molekuláris klaszterek és a „szilárd” anyagok között. A molekuláris, nanokristályos és szilárd anyagok közötti határok nincsenek egyértelműen meghatározva; a részecskénkénti 100 ÷ 10 000 atomos tartomány azonban feltételesen a nanokristályok „felső határának” tekinthető. A felső határ azoknak a méreteknek felel meg, amelyeknél az energiaszintek közötti intervallum meghaladja a termikus rezgések energiáját kT (k- Boltzmann állandó, T- hőmérséklet), amikor a töltéshordozók mozgékonyak lesznek.

A "folyamatos" félvezetők elektronikus gerjesztésű tartományainak természetes hosszskáláját a Bohr gerjesztési sugár határozza meg egy x, ami az elektron közötti Coulomb-kölcsönhatás erősségétől függ ( e) És lyuk (h). Nagyságrendileg nanokristályokban a x maga a méret kezdi befolyásolni a pár konfigurációját e-hés innen ered az exciton mérete. Kiderült, hogy ebben az esetben az elektronikus energiákat közvetlenül a nanokristály mérete határozza meg – ezt a jelenséget „kvantumbezárási effektusnak” nevezik. Ezzel az effektussal szabályozható a nanokristály sávköze ( Például), egyszerűen a részecskeméret megváltoztatásával (1. táblázat).

A kvantumpontok egyedi tulajdonságai

Fizikai objektumként a kvantumpontok meglehetősen régóta ismertek, egyike a napjainkban intenzíven fejlődő formáknak. heterostruktúrák. A kolloid nanokristályok formájában megjelenő kvantumpontok sajátossága, hogy minden pont egy oldószerben elhelyezkedő izolált és mobil objektum. Az ilyen nanokristályok segítségével különféle asszociációkat, hibrideket, rendezett rétegeket stb. lehet létrehozni, amelyek alapján elektronikus és optoelektronikai eszközök elemei, szondák és érzékelők mikrotérfogatban történő elemzéshez, különféle fluoreszcens, kemilumineszcens és fotoelektrokémiai nanoméretű érzékelők készülnek. .

Az oka annak, hogy a félvezető nanokristályok gyorsan behatolnak a különféle különböző területeken a tudomány és a technológia egyedülálló optikai jellemzőik:

keskeny szimmetrikus fluoreszcenciacsúcs (ellentétben a szerves festékekkel, amelyeket a hosszú hullámú „farok” jelenléte jellemez; 2. ábra, bal), amelynek helyzetét a nanokristály méretének és összetételének megválasztása szabályozza (3. ábra);
széles gerjesztési sáv, amely lehetővé teszi a nanokristályok gerjesztését különböző színek egy sugárforrás (2. ábra, bal). Ez az előny alapvető a többszínű kódolási rendszerek létrehozásakor;
magas fluoreszcencia fényesség, amelyet a magas extinkciós érték és a nagy kvantumhozam határoz meg (CdSe/ZnS nanokristályok esetén - akár 70%);
egyedülállóan magas fotostabilitás (2. ábra, jobb oldalon), amely lehetővé teszi nagy teljesítményű gerjesztőforrások használatát.

2. ábra Kadmium-szelén (CdSe) kvantumpontok spektrális tulajdonságai. Bal: A különböző színű nanokristályok egyetlen forrással gerjeszthetők (a nyíl 488 nm hullámhosszú argonlézerrel történő gerjesztést jelez). A betéten különböző méretű (és ennek megfelelően színű) CdSe/ZnS nanokristályok egy fényforrással (UV lámpával) gerjesztett fluoreszcenciája látható. Jobb oldalon: A kvantumpontok rendkívül fotostabilak más szokásos festékekhez képest, amelyek gyorsan lebomlanak a fluoreszcens mikroszkópban található higanylámpa sugara alatt.

3. ábra Kvantumpontok tulajdonságai től különböző anyagok. Felett: Különböző anyagokból készült nanokristályok fluoreszcens tartományai. Alsó: A különböző méretű CdSe kvantumpontok a teljes látható 460–660 nm-es tartományt lefedik. Jobb alsó: Egy stabilizált kvantumpont diagramja, ahol a „magot” félvezető héj és védő polimer réteg borítja.

Fogadási technológia

A nanokristályok szintézisét prekurzor vegyületek gyors injektálásával végzik a reakcióközegbe magas hőmérsékleten (300-350 °C), majd a nanokristályok lassú növekedését viszonylag alacsony hőmérsékleten (250-300 °C). A „fókuszáló” szintézis módban a kis részecskék növekedési üteme nagyobb, mint a nagyoké, ennek következtében csökken a nanokristályméretek terjedése.

A szabályozott szintézis technológia lehetővé teszi a nanorészecskék alakjának szabályozását a nanokristályok anizotrópiája segítségével. Egy adott anyag jellegzetes kristályszerkezete (például a CdSe-t hatszögletű tömörítés jellemzi - wurtzit, 3. ábra) „preferált” növekedési irányokat közvetít, amelyek meghatározzák a nanokristályok alakját. Így keletkeznek nanorudak vagy tetrapodák – négy irányban megnyúlt nanokristályok (4. ábra).

4. ábra CdSe nanokristályok különböző formái. Bal: CdSe/ZnS gömb alakú nanokristályok (kvantumpontok); a központban: rúd alakú (kvantumrudak). Jobb oldalon: tetrapodák formájában. (Áttetsző elektronmikroszkópia. Mark - 20 nm.)

A gyakorlati alkalmazás akadályai

A II–VI. csoportba tartozó félvezetőkből származó nanokristályok gyakorlati alkalmazására számos korlátozás vonatkozik. Először is, a lumineszcencia kvantumhozama jelentősen függ a tulajdonságoktól környezet. Másodszor, a nanokristályok „magjainak” stabilitása vizes oldatokban szintén alacsony. A probléma a felületi „hibákban” rejlik, amelyek nem sugárzó rekombinációs központok vagy „csapdák” szerepét töltik be az izgatottság számára. e-h gőz.

E problémák megoldása érdekében a kvantumpontokat egy több réteg széles résű anyagból álló héjba zárják. Ez lehetővé teszi az elkülönítést e-h párosodnak a sejtmagban, növelik élettartamát, csökkentik a nem sugárzó rekombinációt, és ezáltal növelik a fluoreszcencia és a fotostabilitás kvantumhozamát.

Ebből a szempontból a mai napig a legszélesebb körben használt fluoreszcens nanokristályok mag/héj szerkezetűek (3. ábra). A CdSe/ZnS nanokristályok szintézisére kidolgozott eljárások 90%-os kvantumhozam elérését teszik lehetővé, ami közel áll a legjobb szerves fluoreszcens festékekhez.

II. rész: Kvantumpontok alkalmazása kolloid nanokristályok formájában

Fluoroforok az orvostudományban és a biológiában

A QD-k egyedi tulajdonságai lehetővé teszik, hogy szinte minden rendszerben felhasználhatók biológiai objektumok címkézésére és megjelenítésére (kivéve csak a fluoreszcens intracelluláris címkéket, genetikailag kifejezett - jól ismert fluoreszcens fehérjéket).

A biológiai objektumok vagy folyamatok megjelenítéséhez a QD-ket közvetlenül vagy „varrt” felismerő molekulákkal (általában antitestekkel vagy oligonukleotidokkal) lehet bevinni az objektumba. A nanokristályok tulajdonságaiknak megfelelően behatolnak és eloszlanak az objektumon. Például a különböző méretű nanokristályok különböző módon hatolnak át a biológiai membránokon, és mivel a méret határozza meg a fluoreszcencia színét, az objektum különböző területei is eltérő színűek (5. ábra). A felismerő molekulák jelenléte a nanokristályok felületén lehetővé teszi a célzott kötést: a kívánt tárgyat (például daganatot) egy adott színnel festjük le!

5. ábra Objektumok színezése. Bal: többszínű konfokális fluoreszcens kép a kvantumpontok eloszlásáról a sejtes citoszkeleton és a sejtmag mikrostruktúrájának hátterében humán fagocita THP-1 sejtekben. A nanokristályok legalább 24 órán keresztül fotostabilak maradnak a sejtekben, és nem okoznak károsodást a sejtszerkezetben és működésben. Jobb oldalon: RGD peptiddel „keresztkötésű” nanokristályok felhalmozódása a daganat területén (nyíl). Jobbra a kontroll, peptid nélküli nanokristályok kerültek be (CdTe nanokristályok, 705 nm).

Spektrális kódolás és „folyékony mikrochipek”

Amint már jeleztük, a nanokristályok fluoreszcencia csúcsa keskeny és szimmetrikus, ami lehetővé teszi a különböző színű nanokristályok fluoreszcencia jelének megbízható elkülönítését (a látható tartományban legfeljebb tíz szín). Éppen ellenkezőleg, a nanokristályok abszorpciós sávja széles, vagyis egyetlen fényforrással minden színű nanokristály gerjeszthető. Ezek a tulajdonságok, valamint nagy fotostabilitásuk ideális fluoroforokká teszik a kvantumpontokat az objektumok többszínű spektrális kódolásához – hasonlóan a vonalkódhoz, de többszínű és „láthatatlan” kódokat használnak, amelyek az infravörös tartományban fluoreszkálnak.

Jelenleg egyre gyakrabban használják a „folyékony mikrochip” kifejezést, amely lehetővé teszi a klasszikus lapos chipekhez hasonlóan, ahol a detektáló elemek egy síkban helyezkednek el, egyidejűleg számos paraméter elemzését a minta mikrotérfogatainak felhasználásával. A folyékony mikrochipeket használó spektrális kódolás elvét a 6. ábra szemlélteti. Minden mikrochip elem meghatározott mennyiségű meghatározott színű QD-t tartalmaz, és a kódolt opciók száma nagyon nagy lehet!

6. ábra Spektrális kódolási elv. Bal:"rendes" lapos mikrochip. Jobb oldalon:„folyékony mikrochip”, amelynek minden eleme meghatározott mennyiségű, bizonyos színű QD-t tartalmaz. Nál nél n fluoreszcencia intenzitás szintjei és m színek, a kódolt opciók elméleti száma n m−1. Tehát 5–6 szín és 6 intenzitási szint esetén ez 10 000–40 000 opció lesz.

Az ilyen kódolt mikroelemek bármilyen objektum közvetlen címkézésére használhatók (pl. értékes papírokat). Polimer mátrixokba ágyazva rendkívül stabilak és tartósak. Az alkalmazás másik szempontja a biológiai objektumok azonosítása a korai diagnosztikai módszerek fejlesztésében. Az indikációs és azonosítási módszer az, hogy a mikrochip minden spektrálisan kódolt eleméhez specifikus felismerő molekulát kapcsolnak. Az oldatban van egy második felismerő molekula, amelyhez egy jelfluorofort „varrnak”. A mikrochip fluoreszcencia és a jelfluorofor egyidejű megjelenése jelzi a vizsgált tárgy jelenlétét az elemzett keverékben.

Az áramlási citometria használható a kódolt mikrorészecskék online elemzésére. A mikrorészecskéket tartalmazó oldat lézerrel besugárzott csatornán halad át, ahol minden részecskét spektrálisan jellemeznek. Szoftver Az eszköz lehetővé teszi bizonyos vegyületek mintában való megjelenésével kapcsolatos események azonosítását és jellemzését – például a rák vagy az autoimmun betegségek markereit.

A jövőben félvezető fluoreszcens nanokristályokon alapuló mikroanalizátorokat lehet létrehozni, amelyek egyidejűleg hatalmas számú objektumot rögzíthetnek.

Molekuláris érzékelők

A QD-k szondákként való alkalmazása lehetővé teszi a helyi területek környezeti paramétereinek mérését, amelyek mérete összemérhető a szonda méretével (nanométeres skála). Az ilyen mérőműszerek működése a nem sugárzó rezonáns energiaátvitel (Förster resonanse energy transfer - FRET) Förster-effektusának felhasználásán alapul. A FRET hatás lényege, hogy amikor két objektum (donor és elfogadó) közeledik és átfedi egymást fluoreszcencia spektrum először től abszorpciós spektrum Másodszor, az energia nem sugárzóan kerül átadásra - és ha az akceptor fluoreszkálhat, akkor dupla intenzitással fog világítani.

A FRET effektusról már írtunk a “ cikkben Rulett spektroszkópusnak » .

A kvantumpontok három paramétere nagyon vonzó donorokká teszi őket a FRET formátumú rendszerekben.

Az emissziós hullámhossz nagy pontosságú kiválasztásának lehetősége, hogy maximális átfedést érjünk el a donor emissziós spektruma és az akceptor gerjesztése között.
Különböző QD-k gerjesztésének képessége egyetlen fényforrás azonos hullámhosszával.
A gerjesztés lehetősége az emissziós hullámhossztól távol eső spektrális tartományban (különbség >100 nm).

Kétféle stratégia létezik a FRET effektus használatára:

két molekula kölcsönhatási aktusának regisztrálása a donor-akceptor rendszer konformációs változásai következtében és
a donor vagy akceptor optikai tulajdonságaiban bekövetkezett változások regisztrálása (például abszorpciós spektrum).

Ez a megközelítés lehetővé tette nanoméretű érzékelők megvalósítását a pH és a fémionok koncentrációjának mérésére a minta egy helyi régiójában. Az ilyen érzékelők érzékeny eleme egy réteg indikátormolekulák, amelyek megváltoztatják az optikai tulajdonságokat, amikor a detektált ionhoz kötődnek. A kötés hatására megváltozik a QD fluoreszcencia spektruma és az indikátor abszorpciós spektruma közötti átfedés, ami az energiaátvitel hatékonyságát is megváltoztatja.

A donor-akceptor rendszer konformációs változásait alkalmazó megközelítést egy nanoméretű hőmérséklet-érzékelőben valósítanak meg. Az érzékelő működése a kvantumpontot és az akceptor-fluoreszcens kioltót összekötő polimer molekula alakjának hőmérséklet-változásán alapul. A hőmérséklet változása esetén a kioltó és a fluorofor közötti távolság, valamint a fluoreszcencia intenzitása is változik, amiből a hőmérsékletre vonatkozó következtetést vonunk le.

Molekuláris diagnosztika

Ugyanígy kimutatható a donor és az akceptor közötti kötés megszakadása vagy kialakulása. A 7. ábra szemlélteti a „szendvics” regisztrációs elvet, amelyben a regisztrált objektum összekötő kapocsként („adapterként”) működik a donor és az elfogadó között.

7. ábra A FRET formátum használatával történő regisztráció elve. A konjugátum ("folyékony mikrochip") (regisztrált tárgy) (jelfluorofor) kialakulása közelebb hozza a donort (nanokristályt) az akceptorhoz (AlexaFluor festék). Maga a lézersugárzás nem gerjeszti a festék fluoreszcenciáját; a fluoreszcens jel csak a CdSe/ZnS nanokristályból származó rezonáns energiaátvitel miatt jelenik meg. Bal: konjugátum szerkezete energiaátvitellel. Jobb oldalon: a festék gerjesztésének spektrális diagramja.

Ennek a módszernek a megvalósítására példa az autoimmun betegség diagnosztikai készletének létrehozása szisztémás scleroderma(szkleroderma). Itt a donor 590 nm-es fluoreszcencia hullámhosszú kvantumpontok, az akceptor pedig egy szerves festék - AlexaFluor 633 volt. Egy antigént „varrtak” egy mikrorészecske felületére, amely kvantumpontokat tartalmazott egy autoantitesthez - a scleroderma markeréhez. A festékkel jelölt másodlagos antitesteket bevittük az oldatba. Cél hiányában a festék nem közelíti meg a mikrorészecske felületét, nincs energiaátvitel és a festék nem fluoreszkál. De ha autoantitestek jelennek meg a mintában, az egy mikrorészecske-autoantitest-festék komplex kialakulásához vezet. Az energiatranszfer hatására a festék gerjesztődik, 633 nm hullámhosszú fluoreszcens jele jelenik meg a spektrumban.

A munka fontossága az is, hogy az autoantitestek diagnosztikai markerekként használhatók az autoimmun betegségek kialakulásának nagyon korai szakaszában. A „folyékony mikrochipek” lehetővé teszik olyan tesztrendszerek létrehozását, amelyekben az antigének sokkal természetesebb körülmények között helyezkednek el, mint egy síkon (mint a „rendes” mikrochipeknél). A már elért eredmények megnyitják az utat egy új típusú, kvantumpontokon alapuló klinikai diagnosztikai tesztek létrehozásához. A spektrálisan kódolt folyékony mikrochipek használatán alapuló megközelítések megvalósítása pedig lehetővé teszi számos marker tartalmának egyidejű meghatározását, ami az alapja a diagnosztikai eredmények megbízhatóságának jelentős növelésének és a korai diagnosztikai módszerek fejlesztésének. .

Hibrid molekuláris eszközök

A kvantumpontok spektrális jellemzőinek rugalmas szabályozásának képessége megnyitja az utat a nanoméretű spektrális eszközök felé. Különösen a kadmium-tellúrium (CdTe) alapú QD-k tették lehetővé a spektrális érzékenység kiterjesztését bakteriorodopszin(bP), amely arról ismert, hogy fényenergiát használ protonok „pumpálására” a membránon. (A kapott elektrokémiai gradienst a baktériumok az ATP szintézisére használják fel.)

Valójában egy új hibrid anyagot kaptak: kvantumpontokat rögzítenek lila membrán- sűrűn csomagolt bakteriorodopszin molekulákat tartalmazó lipid membrán - kiterjeszti a fényérzékenységi tartományt a spektrum UV és kék tartományára, ahol a „hétköznapi” bP nem nyeli el a fényt (8. ábra). Az UV és kék tartományban fényt elnyelő kvantumpontból a bakteriorodopszin felé történő energiaátvitel mechanizmusa továbbra is ugyanaz: ez FRET; A sugárzás elfogadója ebben az esetben az retina- ugyanaz a pigment, amely a rodopszin fotoreceptorban működik.

8. ábra A bakteriorodopszin „frissítése” kvantumpontok segítségével. Bal: bakteriorodopszint tartalmazó proteoliposzóma (trimerek formájában), amelyre CdTe alapú kvantumpontok „varrtak” (narancssárga gömbökként ábrázolva). Jobb oldalon: séma a bR spektrális érzékenységének kiterjesztésére a CT hatására: terület a spektrumon átvételek A QD a spektrum UV és kék részén található; hatótávolság kibocsátások a nanokristály méretének megválasztásával „hangolható”. Ebben a rendszerben azonban nem kvantumpontok bocsátanak ki energiát: az energia nem sugárzóan a bakteriorodopszinhoz vándorol, ami működik (H + ionokat pumpál a liposzómába).

Az ilyen anyag alapján létrejövő proteoliposzómák (bP-QD hibridet tartalmazó lipid „vezikulák”) megvilágítás hatására protonokat pumpálnak magukba, hatékonyan csökkentve a pH-t (8. ábra). Ez a látszólag jelentéktelen találmány a jövőben optoelektronikai és fotonikus eszközök alapját képezheti, és alkalmazást találhat az elektromos energia és más típusú fotoelektromos átalakítások területén.

Összefoglalva hangsúlyozni kell, hogy a kolloid nanokristályok formájában megjelenő kvantumpontok a nano-, bionano- és bioréz-nanotechnológiák legígéretesebb tárgyai. Miután 1998-ban először demonstrálták a kvantumpontok fluoroforként való képességét, évekig tartó szünet következett a nanokristályok használatának új, eredeti megközelítései és az ezekben az egyedi objektumokban rejlő potenciális képességek felismerésében. Ám az elmúlt években meredek emelkedés következett be: az ötletek felhalmozódása és megvalósításuk áttörést hozott a félvezető nanokristályos kvantumpontok felhasználásán alapuló új eszközök és eszközök létrehozásában a biológiában, az orvostudományban, az elektronikában, a napenergiában. technológia és még sok más. Természetesen sok megoldatlan probléma van még ezen az úton, de a növekvő érdeklődés, az ezekkel a problémákkal foglalkozó csapatok számának növekedése, az e területtel foglalkozó publikációk növekvő száma reményt ad arra, hogy a kvantumpontok alapjává váljanak a berendezések és technológiák következő generációja.

Videofelvétel V. A. beszédéről Oleynikova az IBCh RAS Fiatal Tudósok Tanácsának második szemináriumán, amelyet 2012. május 17-én tartottak.

Irodalom

Oleynikov V.A. (2010). Kvantumpontok a biológiában és az orvostudományban. Természet. 3 , 22;
Oleynikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. (2007). Fluoreszcens félvezető nanokristályok a biológiában és az orvostudományban. Orosz nanotechnológiák. 2 , 160–173;
Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mihail Artemjev, Vladimir Oleinikov stb. al.. (2002). Rendkívül stabil fluoreszcens nanokristályok, mint a címkék új osztálya a paraffinba ágyazott szövetmetszetek immunhisztokémiai elemzéséhez. Lab Invest. 82 , 1259-1261;
C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Közel monodiszperz CdE (E = kén, szelén, tellúr) félvezető nanokristályok szintézise és jellemzése. Lekvár. Chem. Soc.. 115 , 8706-8715;
Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Világos UV-kék lumineszcens kolloid ZnSe nanokristályok. J. Phys. Chem. B. 102 , 3655-3657;
Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Kolloid félvezető nanokristályok alakszabályozása. J. Clust. Sci. 13 , 521–532;
Fluoreszkáló kémiai Nobel-díj;
Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher stb. al.. (2007). A nem funkcionalizált nanokristályok kihasználhatják a sejtek aktív szállítógépezetét, és eljuttatják őket meghatározott nukleáris és citoplazmatikus kompartmentekbe. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell stb. al.. (2009). Sejttípus-specifikus intracelluláris nanoméretű korlátok vizsgálata méretre hangolt kvantumpontok nano-pH mérővel;
Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach stb. al.. (2007). Nanokristály kódolású fluoreszcens mikrogyöngyök a proteomikához: antitestprofilozás és autoimmun betegségek diagnosztikája. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov stb. al.. (2010). A rezonancia energiaátvitel javítja a bakteriorodopszin biológiai funkcióját egy lila membránokból és félvezető kvantumpontokból épített hibrid anyagon belül. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;

2016. december 4-én 22:35-kor

Kvantumpontok és miért vannak telepítve

Kvantum technológiák,
Monitorok és TV

Jó napot, Habrazhiteliki! Azt hiszem, sokan észrevették, hogy egyre gyakrabban kezdtek megjelenni a kvantumpont technológián alapuló kijelzőkről, az úgynevezett QD – LED (QLED) kijelzőkről szóló reklámok, annak ellenére, hogy jelenleg ez csak marketing. A LED TV-hez és a Retinához hasonlóan ez az LCD-kijelzők létrehozására szolgáló technológia, amely kvantumpont-alapú LED-eket használ háttérvilágításként.

Alázatos szolgád úgy döntött, hogy kitalálja, mik azok a kvantumpontok, és mire használják őket.

Ahelyett, hogy bemutatnánk

A kvantumpont energiaspektruma diszkrét, és a töltéshordozó stacioner energiaszintjei közötti távolság magának a kvantumpontnak a méretétől függ: - ħ/(2md^2), ahol:

ħ - redukált Planck-állandó;
d a pont jellemző mérete;
m az elektron effektív tömege egy pontban