Quantum Dots - nová technológia zobrazenia. Čo je to QD TV, kde hľadať "Quantum Dots" a prečo ukazujú lepšie

01.10.2019

14. júna 2018

Kvantový bod - fragment vodiča alebo polovodičov, ktorých nosiče nabitia (elektróny alebo otvory), z ktorých sú obmedzené vo vesmíre pre všetky tri merania. Veľkosť kvantového bodu by mala byť taká malá, že kvantové účinky sú nevyhnutné. To sa dosahuje, ak je kinetická elektrónová energia výrazne viac ako všetky ostatné energetické váhy: primárne väčšie ako teplota vyjadrená v energetických jednotkách. Kvantové bodky boli najprv syntetizované na začiatku 80-tych rokov Alexej Ekimov v sklenenej matrici a Louis E. Bar v koloidných roztokoch.

Termín "kvantový bod" navrhol Mark Reed.

Energetické spektrum kvantového bodu je diskrétne a vzdialenosť medzi stacionárnymi úrovňami energie nosiča nabíjania závisí od veľkosti samotného kvantového bodu ako - ħ / (2md ^ 2), kde:
ħ - redundantný bar;
d - Veľkosť charakteristického bodu;
m - Efektívna hmotnosť elektrónov v mieste

Ak povieme jednoduchý jazyk, kvantový bod je polovodič, z ktorých elektrické vlastnosti závisia od jeho veľkosti a tvaru.
Napríklad pri prechode elektrónu na úroveň energie nižšie je emitovaná fotón; Keďže môžete nastaviť veľkosť kvantového bodu, môžete zmeniť energiu emitovaného fotónu, a preto zmeníte farbu emitovaného kvantovým bodom svetla.

Typy kvantovej bodky
Rozlišovať dva typy:
epitaxiálne kvantové bodky;
koloidné kvantové bodky.

V podstate sú menované podľa metód ich prijatia. Nie je potrebné o nich podrobne hovoriť na základe veľkého počtu chemických hľadísk. Budem dodávať len to, že s pomocou koloidnej syntézy môžete získať nanokryštály potiahnuté vrstvou adsorbovaných povrchovo aktívnych molekúl. Preto sú rozpustné v organických rozpúšťadlách po modifikácii - aj v polárnych rozpúšťadlách.

Výstavba kvantovej bodky
Typicky je kvantový bod polovodičový kryštál, v ktorom sa realizujú kvantové účinky. Elektrón v takomto kryštále sa cíti ako trojrozmerná potenciálna jama a má mnoho stacionárnych úrovní energie. V súlade s tým, keď prepínanie z jednej úrovne na inej kvantovej bodke môže emitovať fotón. So všetkými prechodmi sa dá ľahko ovládať meniace sa rozmery kryštálov. Je tiež možné preniesť elektrón na vysokú úroveň energie a získať žiarenie z prechodu medzi nižšími úrovňami a v dôsledku toho získame luminiscenciu. V skutočnosti je to pozorovanie tohto fenoménu, ktorý slúžil ako prvé pozorovanie kvantových bodov.

Teraz o displeji
Príbeh úplných displejov sa začalo vo februári 2011, keď Samsung Electronics predstavil vývoj plnofarebného displeja na základe Qul Quantum Dots. Bol to 4-palcový displej riadený aktívnou maticou, t.j. Každý farebný pixel s kvantovou bodkou môže byť zapnutý a vypnutý s tenkým filmovým tranzistorom.

Ak chcete vytvoriť prototyp na poplatok za pazúriku, aplikuje sa vrstva roztoku kvantových bodov a rozprašuje sa rozpúšťadlo. Po tom, gumová pečiatka s hrebeňovým povrchom je lisovaná v kvantovej bodkovej vrstve, je oddelená a pečiatka na sklenenom alebo ohybnom plastoch. Takto sa vykonávajú pásy kvantových bodov na substráte. Vo farebných displejoch obsahuje každý pixel červený, zelený alebo modrý subpixel. V súlade s tým sa tieto farby používajú s rôznou intenzitou, aby sa získali čo najviac odtieňov.

Ďalším krokom vo vývoji bolo uverejnenie článku vedcov z Indického inštitútu vedy v Bangalore. Tam, kde boli kvantové body opísané, že luminiscenčný nielen oranžový, ale aj v rozsahu od tmavo zelenej po červenú.

Čo je to LCD horšie?
Hlavný rozdiel medzi LCD displejom z LCD je, že druhá môže pokryť iba 20-30% farebného rozsahu. Tiež v QLED TVS, nie je potrebné používať vrstvu so svetlými filtrami, pretože kryštály pri dodávaní napätia im vyžarujú svetlo vždy s jasne definovanou vlnovou dĺžkou a ako výsledok s rovnakou farbou.

Displej kvapalných kryštálov pozostávajú z 5 vrstiev: Zdrojom je biele svetlo emitované LED diódami, ktoré prechádza niekoľkými polarizačnými filtrami. Filtre, ktoré sa nachádzajú vpredu a vzadu, v kombinácii s tekutými kryštálmi ovládajú prúdový prúd, zníženie alebo zvýšenie jeho jasu. Je to spôsobené tranzistormi pixelov ovplyvňujúcich množstvo svetla prechádzajúceho cez svetelné filtre (červená, zelená, modrá).

Vytvorená farba týchto troch subpixelov, ku ktorým sa aplikujú filtre, poskytuje špecifickú farebnú hodnotu pixelu. Miešacie farby sa vyskytujú pekne "hladko", ale nie je možné jednoducho získať čistú červenú, zelenú alebo modrú. Nástenné bloky vyčnievajú filtre, ktoré prechádzajú nie jednu vlnu určitej dĺžky a rad rôznych vlnových dĺžok. Napríklad oranžové svetlo tiež prechádza cez červený svetlý filter.

Stojí za zmienku, že rozsah kvantových bodov nie je obmedzený na LED - monitory, okrem iného, \u200b\u200bmôžu byť použité v terénnych tranzistoroch, fotobunkách, laserových diódach a štúdiu schopnosti ich používať v medicíne a kvantových výpočtoch.

LED dióda vyžaruje svetlo, keď sú predložené napätia. Kvôli tomu sa elektróny (E) prenášajú z materiálu N-typu do materiálu typu p. N-typový materiál obsahuje atómy s nadbytočnými elektrónmi. V materiáli typu p sú atómy, ktoré nemajú elektróny. Ak sa dostanete do posledných prebytočných elektrónov, dávajú energiu vo forme svetla. V obvyklom polovodičovom kryštále je to zvyčajne biele svetlo tvorené rôznymi vlnami rôznych dĺžok. Dôvodom tohto leží v skutočnosti, že elektróny môžu byť umiestnené na rôznych úrovniach energie. V dôsledku toho získané fotóny (p) majú odlišnú energiu, ktorá je exprimovaná v rôznych dĺžkach žiarenia vĺn.

Stabilizácia svetla kvantovými bodkami
V QLED TVS, Quantum Dots vyčnievajú ako svetelný zdroj sú kryštály s veľkosťou len niekoľkými nanometrami. Súčasne, potreba vrstvy so svetelnými filtrami zmizne, pretože keď sú kryštály odoslané, svetlo je vždy emitované s jasne definovanou vlnovou dĺžkou, a tým aj farebnou hodnotou. Tento efekt sa dosahuje chudobnými veľkosťami kvantového bodu, v ktorom je elektrón, ako v atóme, je schopný pohybovať len v obmedzenom priestore. Podobne ako v atóme môže elektrón kvantového bodu obsadiť len prísne definované úrovne energie. Vzhľadom k tomu, že tieto úrovne energie závisia od materiálu, sa objaví možnosť cieleného nastavenia optických vlastností Quantum Dots. Napríklad, aby sa získala červená farba, kryštály sa používajú z zliatiny kadmia, zinku a selénu (CDZNSE), ktorých rozmery sú približne 10-12 nm. Fúzia kadmia a selénu je vhodná pre žlté, zelené a modré farby, táto sa môže tiež získať s použitím nanokryštálov z zlúčeniny zinku a síry 2-3 nm.

Hmotnostná výroba modrých kryštálov je veľmi komplikovaná a nákladná, preto predložená v roku 2013 TV SONY nie je "plnokrvná" QLED TV na základe Quantum Dots. V zadnej časti ich displejov sa nachádza vrstva modrých LED diódy, ktorého svetlo prechádza vrstvou červených a zelených nanokryštálov. V dôsledku toho sú v podstate nahradenie častých filtrov. Vďaka tomu sa farebné pokrytie v porovnaní s bežnými LCD televízormi zvyšuje o 50%, ale nedosiahne úroveň "čistej" qled obrazovky. Ten okrem širšieho farebného pokrytia majú ďalšiu výhodu: umožňujú úspornú energiu, pretože potreba vrstvy so svetelnými filtrami zmizne. Vďaka tomu, predná časť obrazovky v QLED TVS tiež dostane viac svetla ako v bežných televízoroch, ktoré preskočili len asi 5% svetlého toku.

Vedci vybudovali teóriu tvorby rozsiahlej triedy kvantových bodov, ktoré sa získajú z kadmia obsahujúceho a selénu. Do 30 rokov bol vývoj v tomto smere vo veľkej miere spoliehal na spôsob vzoriek a chýb. Článok je uverejnený v časopise Nature Communications.

Kvantové bodky sú nanoscale Crystal Semiconductors s pozoruhodnými optickými a elektronickými vlastnosťami, vďaka ktorému už našli použitie v mnohých oblastiach výskumu a technológií. Majú medziľahlé vlastnosti medzi objemovými polovodičmi a jednotlivými molekulami. Avšak, v procese syntézy týchto nanočastíc, tam sú temné momenty, pretože je plne pochopené, ako reagencie interagujú, z ktorých niektoré sú vysoko toxické, vedci nemohli.

Todd Krauss a či Frenett z Univerzity Rochester bude túto situáciu zmeniť. Zistili najmä, že v procese syntézy sa objavujú toxické zlúčeniny, ktoré boli použité na získanie prvých kvantových bodov pred 30 rokmi. "V podstate sme šli" späť do budúcnosti "vďaka nášmu objavu," vysvetľuje Claus. - Ukázalo sa, že dnes bezpečnejšie reagencie sa používajú na samotné látky, ktoré sa pokúšali zabrániť desaťročiam. Na druhej strane reagujú s tvorbou Quantum Dots. "

Po prvé, zníži počet odhadov pri výrobe kvantových bodov na báze kadmia alebo selénu, čo viedlo k nezrovnalostiam a nereprodukovateľnosti, ktoré zabraňuje hľadaniu priemyselného použitia.
Po druhé, výskumníci a spoločnosti pracujúci so syntézou kvantových bodov vo veľkých objemoch sa stále zaoberajú takými nebezpečnými látkami ako komplexy selénu a alkyl-kadmiových, hoci implicitne.
Po tretie, objasnenie chemických vlastností fosfínov používaných v mnohých procesoch syntézy kvantových bodiek pri vysokých teplotách.

Zdroje:

Najdôležitejším cieľom fyziky s nízkou dimenzionálnymi polovodičovými heretostruktúrami sú tzv. Kvazii-zrnité systémy alebo kvantové bodky. Je dosť ťažké poskytnúť presnú definíciu kvantových bodov. Je to spôsobené tým, že vo fyzickej literatúre sa kvantové body nazývajú široká trieda kvázi-dimenzionálne systémy, v ktorých sa prejavuje účinok rozmerovej kvantizácie spektra elektrónov, otvorov a excitónov. Táto trieda, predovšetkým, zahŕňa polovodičové kryštály, v ktorých všetky tri priestorové veľkosti poradia borovského polomeru excitónu v odmernom materiáli. Táto definícia predpokladá, že kvantový bod je vo vákuu, plynnom alebo kvapalnom médiu, alebo je obmedzený na akýkoľvek materiál s pevným stavom, ktorý sa líši od materiálu, z ktorého sa vyrába. V tomto prípade je trojrozmerné priestorové obmedzenie základných excitacií v kvantových bodoch spôsobené prítomnosťou hraniciach úseku medzi rôznymi materiálmi a médiami, t.j. existencia heterografa. Takéto kvantové bodky sa často označujú ako mikro alebo nanokryštály. Táto jednoduchá definícia však nie je úplná, pretože existujú kvantové bodky, pre ktoré sú heterofruity v jednom alebo dvoch rozmeroch neprítomné. Napriek tomu je pohyb elektrónov, otvorov alebo excitónov v takýchto kvantových bodoch priestorovo obmedzené v dôsledku prítomnosti potenciálnych jamok, ktoré vznikajú, napríklad v dôsledku mechanických namáhaní alebo výkyvov hrúbky polovodičových vrstiev. V tomto zmysle možno povedať, že kvantový bod je akákoľvek trojdimenzionálna potenciálna jama naplnená polovodičovým materiálom, s charakteristickými veľkosťami rádu, v ktorom je pohyb elektrónov, otvorov a excitónov priestorovo obmedzené v troch rozmeroch.

Metódy výroby Quantum Dots

Medzi rôznymi rôznymi kvantovými bodmi možno rozlíšiť niekoľko základných typov, ktoré sa najčastejšie používajú v experimentálnych štúdiách a aplikáciách. V prvom rade sú to nanokryštály v kvapalinách, oknách av matroch rozsiahlych dielektriky (obr. 1). Ak sú pestované v sklených matriciach, potom majú pravidlo sférický tvar. Je v takomto systéme, ktorý predstavuje kvantové body z CUCL, zavedené do silikátových okuliarov, v štúdii s jednoduchou fotónovou absorpciou, účinok trojrozmernej veľkosti kvantizácie excitónov sa najprv detegoval. Táto práca znamenala začiatok rýchleho vývoja fyziky kvázi-terminálových systémov.

Obr.

Kvantové bodky v kryštalickej dielektrickej matrici môžu byť obdĺžnikové rovnobežné, ako je to puzdro pre kvantové bodky založené na CUCL zabudovanom do NaCl. Nanokryštály sú kvantové bodky pestované v polovodičových matriciach odkvapkávaním epitaxie.

Ďalším dôležitým typom kvantových bodiek sú tzv. Self-organizovanie Quantum Body, ktoré vyrába metóda Krastilanov s použitím molekulárnej techniky epitaxie (obr. 2). Ich charakteristickým znakom je, že sú vzájomne prepojené ultrafínovým zmáčacím vrstvou, ktorého materiál sa zhoduje s materiálom kvantových bodov. V týchto kvantových bodoch teda neexistuje jeden z heterografických. Rovnaký typ, v zásade, porézne polovodiče môžu byť pripísané napríklad poréznym SI, ako aj potenciálne jamy v tenkých polovodičových vrstvách vznikajúcich v dôsledku kolísania hrúbky vrstvy.

Obr.2.

Obr.3. Štruktúra s indukovanými mechanickými napätiami InGAAs Quantum Dots. 1 - pokrývajúca vrstvu GAAS; 2 - samoorganizované inp kvantové bodky, ktoré stanovili mechanické namáhanie, ktoré vedú k trojrozmerným potenciálnym jamom v ingAasovej vrstve; 3 a 6 - Gaasové vyrovnávacie vrstvy; 4 - Tenké IngAas Quantum Pit, v ktorom sú vytvorené kvantové bodky vyvolané mechanickými namáhaniami; 5 - Quantum Dots; 7 - GAAS Substrát. Bodové riadky zobrazujúce mechanické profily DROATIKY.

Kvantové bodky vyvolané mechanickými napätiami sa môžu pripísať treťom type (obr. 3). Sú tvorené v tenkých polovodičových vrstvách v dôsledku mechanických namáhaní, ktoré vznikajú v dôsledku nesúladu permanentných grilov materiálov hetero-editory. Tieto mechanické namáhania vedú k vzniku trojrozmernej potenciálnej jamy pre elektróny, otvory a excitóny v tenkej vrstve. Z obr. 3. Je možné vidieť, že takéto kvantové bodky nemajú heterongors v dvoch smeroch.

Dobrý čas, habarits! Myslím, že mnohí si všimli, že reklama na displejoch na základe Quantum Dots založených na Quantum Dots, tzv. QD - LED (QLED) sa objavujú, a napriek tomu, že v súčasnosti je to len marketing. Podobne LED TV a RETINA je technológia LCD displejov, ktorá využíva LED diódy na základe Quantum Dots.

Váš pokorný sluha sa rozhodol stále zistiť, čo kvantované bodky a to, čo jedia.

Namiesto podávania

Kvantovať - fragment vodiča alebo polovodičov, ktorých nosiče nabitia (elektróny alebo otvory), ktoré sú obmedzené v priestore pre všetky tri merania. Veľkosť kvantového bodu by mala byť taká malá, že kvantové účinky sú nevyhnutné. To sa dosahuje, ak je kinetická elektrónová energia výrazne viac ako všetky ostatné energetické váhy: primárne väčšie ako teplota vyjadrená v energetických jednotkách. Kvantové bodky boli najprv syntetizované na začiatku 80-tych rokov Alexej Ekimov v sklenenej matrici a Louis E. Bar v koloidných roztokoch. Termín "kvantový bod" navrhol Mark Reed.

Energetické spektrum kvantového bodu je diskrétne a vzdialenosť medzi stacionárnymi úrovňami energie nosiča nabíjania závisí od veľkosti samotného kvantového bodu ako - H / (2MD ^ 2), kde:

h - Znížená trvalá doska;
d - Veľkosť charakteristického bodu;
m - Efektívna hmotnosť elektrónov v mieste

Ak povieme jednoduchý jazyk, kvantový bod je polovodič, z ktorých elektrické vlastnosti závisia od jeho veľkosti a tvaru.

Napríklad pri prechode elektrónu na úroveň energie nižšie je emitovaná fotón; Keďže môžete nastaviť veľkosť kvantového bodu, môžete zmeniť energiu emitovaného fotónu, a preto zmeníte farbu emitovaného kvantovým bodom svetla.

Typy kvantovej bodky

Rozlišovať dva typy:

epitaxiálne kvantové bodky;
koloidné kvantové bodky.

V podstate sú menované podľa metód ich prijatia. Podrobne hovoriť o nich, nebudem kvôli veľkému počtu chemických pojmov (Google na pomoc). Budem dodávať len to, že s pomocou koloidnej syntézy môžete získať nanokryštály potiahnuté vrstvou adsorbovaných povrchovo aktívnych molekúl. Preto sú rozpustné v organických rozpúšťadlách po modifikácii - aj v polárnych rozpúšťadlách.

Výstavba kvantovej bodky

Typicky je kvantový bod polovodičový kryštál, v ktorom sa realizujú kvantové účinky. Elektrón v takomto kryštále sa cíti ako trojrozmerná potenciálna jama a má mnoho stacionárnych úrovní energie. V súlade s tým, keď prepínanie z jednej úrovne na inej kvantovej bodke môže emitovať fotón. So všetkými prechodmi sa dá ľahko ovládať meniace sa rozmery kryštálov. Je tiež možné preniesť elektrón na vysokú úroveň energie a získať žiarenie z prechodu medzi nižšími úrovňami a v dôsledku toho získame luminiscenciu. V skutočnosti je to pozorovanie tohto fenoménu, ktorý slúžil ako prvé pozorovanie kvantových bodov.

Teraz o displeji

Príbeh úplných displejov sa začalo vo februári 2011, keď Samsung Electronics predstavil vývoj plnofarebného displeja na základe Qul Quantum Dots. Bol to 4-palcový displej riadený aktívnou maticou, t.j. Každý farebný pixel s kvantovou bodkou môže byť zapnutý a vypnutý s tenkým filmovým tranzistorom.

Čo je to LCD horšie?

Hlavný rozdiel medzi LCD displejom z LCD je, že druhá môže pokryť iba 20-30% farebného rozsahu. Tiež v QLED TVS, nie je potrebné používať vrstvu so svetlými filtrami, pretože kryštály pri dodávaní napätia im vyžarujú svetlo vždy s jasne definovanou vlnovou dĺžkou a ako výsledok s rovnakou farbou.

Tam boli tiež novinky o predaji počítača displeja na Quantum Dots v Číne. Bohužiaľ, kontrola, na rozdiel od televízora som nemal príležitosť.

P.S. Stojí za zmienku, že rozsah kvantových bodov nie je obmedzený na LED - monitory, okrem iného, \u200b\u200bmôžu byť použité v terénnych tranzistoroch, fotobunkách, laserových diódach a štúdiu schopnosti ich používať v medicíne a kvantových výpočtoch.

P.p.s. Ak hovoríme o mojom osobnom stanovisku, potom si myslím, že nepoužívajú najbližšie desiatky rokov, nie preto, že existuje málo známy, a preto sú ceny za tieto displeje preložené, ale stále chcú dúfať, že kvantové body nájdu ich použitie v medicíne a budú použité nielen na zvýšenie zisku, ale aj v dobrom použití.

Početné spektroskopické metódy, ktoré sa objavili v druhej polovici 20. storočia - elektronická a atómová mikroskopia, nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia, hmotnostná spektrometria - zdanlivo poslal tradičnú optickú mikroskopiu "odchod do dôchodku". Avšak, zručné použitie fluorescenčného fenoménu viac ako kedysi rozšírilo "veterán" život. Tento článok bude hovoriť kvantové body (Fluorescenčné polovodičové nanokryštály), inšpirujúce nové sily do optickej mikroskopie a nechá sa pozrieť na notoricky originálny limit difrakcie. Unikátne fyzikálne vlastnosti kvantových bodov z nich robia ideálnymi prostriedkami na nadmernú podporu viacfarebného registrácie biologických objektov, ako aj na lekársku diagnostiku.

Príspevok prezentuje nápady o fyzikálnych princípoch, ktoré určujú jedinečné vlastnosti kvantových bodov, základné myšlienky a vyhliadky na použitie nanokryštálov a je opísaná o úspechoch ich používania v biológii a medicíne. Článok je založený na výsledkoch štúdií vykonaných v posledných rokoch v laboratóriu molekulárnej biofyziky Ústavu bioorganickej chémie. Mm Shemyakina a Yu.A. OVCHINNIKOVA, spolu s University of Reimary a Bieloruská štátna univerzita, zameraná na rozvoj nových biomarkerov pre rôzne oblasti klinickej diagnózy, vrátane rakovinových a autoimunitných ochorení, ako aj na vytvorenie nových typov nanosenzorov na súčasnú registráciu mnohých biomedicínskych parametrov. Počiatočná verzia práce bola uverejnená v "prírode"; Článok do určitej miery je článok založený na druhom seminári Rady mladých vedcov IBH RAS. - ed.

Časť I, teoretické

Obrázok 1. Diskrétne úrovne energie v nanokryštále. "Pevný" polovodič ( vľavo) má zónu valencie a vedenie zóny oddelené zakázanou zónou Eg.. Nanokryštál z polovodičov ( napravo) Vyznačuje sa diskrétnymi úrovňami energie podobných úrovni energie jedného atómu. V nanocrimistal Eg. Je to veľkosť veľkosti: zvýšenie veľkosti nanokryštálu vedie k zníženiu Eg..

Zníženie veľkosti častíc vedie k prejavu veľmi neobvyklých vlastností materiálu, z ktorého je vyrobený. Dôvodom je kvantita-mechanické účinky vyplývajúce z priestorového obmedzenia pohybu nosných nosičov: energia nosičov v tomto prípade sa stáva diskrétnou. A počet úrovní energie, pretože kvantové mechanické ukáže, závisí od veľkosti "potenciálnej jamy", výšky potenciálnej bariéry a hmotnosti nosiča nabitia. Zvýšenie veľkosti "jamy" vedie k zvýšeniu počtu úrovní energie, ktoré sa navzájom približujú, až kým nie sú nažive, a energetické spektrum sa nestane "pevným" (obr. 1). Obmedzte pohyb nosičov nabitia v jednej súradnicu (tvarovanie kvantových filmov), pozdĺž dvoch súradníc (kvantové drôty alebo závity) alebo pre všetky tri pokyny - to bude kvantové body (CT).

Polovodičové nanokryštály sú medziprodukty medzi molekulárnymi klastrami a "pevnými" materiálov. Hranice medzi molekulovým, nanokryštalickým a pevným materiálom nie sú definované s dostatočnou jasnosťou; Rozsah 100 ÷ 10 000 atómov na častice však môže byť približne považovaný za "hornú hranicu" nanokryštálov. Horná hranica zodpovedá rozmerom, pre ktoré interval medzi úrovňami energie presahuje energiu tepelných výkyvov kt. (k. - Trvalý Boltzmann, T. - teplota), keď sa nosiče nabíjania stávajú mobilnými.

Prírodný rozsah dĺžky pre elektronické excitované oblasti v "nepretržitých" polovodičoch je určený polomerom excitónu bóru x.ktorý závisí od sily interakcie Coulombom medzi elektrónom ( e.) I. diera (h.). V nanokryštále rovnakého poriadku samotná veľkosť x Začína ovplyvniť konfiguráciu páru e-H. A preto veľkosť excitónu. Ukazuje sa, že v tomto prípade sú elektronické energie priamo určené veľkosťou nanokryštálu - tento fenomén je známy ako "účinok kvantového obmedzenia". Pomocou tohto efektu môžete nastaviť šírku nanokrystalovej zóny ( Eg.), Len zmenu veľkosti častíc (tabuľka 1).

Jedinečné vlastnosti Quantum Dots

Ako fyzický objekt, Quantum Dots sú známe už dlhú dobu, je jednou z intenzívne vyvíjajúcich formulárov dnes heterostruktúry . Funkcia Quantum Dots vo forme koloidných nanokryštálov je, že každý bod je izolovaný a mobilný objekt umiestnený v rozpúšťadle. Takéto nanokryštály môžu byť použité na vybudovanie rôznych spolupracovníkov, hybridov, objednaných vrstiev atď., Na základe ktorých prvky elektronických a optoelektronických zariadení, sond a senzory pre analýzy v mikro-objemoch látky, rôzne fluorescenčné, chemiluminiscenčné a fotoelektrické \\ t Konštrukcia sú konštruované.

Príčinou rýchleho penetrácie polovodičových nanokryštálov v rôznych oblastiach vedy a techniky sú ich jedinečné optické charakteristiky:

Úzky symetrický vrchol fluorescencie (na rozdiel od organických farbív, pre ktoré je prítomnosť dlhej vlny "chvost"; Obr. 2, vľavo), ktorej poloha je regulovaná výberom veľkosti nanokryštálu a jeho zloženia (obr. 3);
Široký excitačný pás, ktorý umožňuje excitáciu nanokryštálov rôznych farieb s jedným zdrojom žiarenia (obr. 2, vľavo). Táto dôstojnosť je zásadne pri vytváraní systémov kódovania multicolor;
vysoká fluorescenčná jasnosť, určená vysokou hodnotou extinkcie a vysokým kvantovým výstupom (pre CDSE / ZNS nanokryštály - až 70%);
jedinečná vysoká fotostabilita (Obr. 2, napravo), ktorý umožňuje použitie vysokých zdrojov energie.

Obrázok 2. Spektrálne vlastnosti kvantových bodiek s kadmiovým selénom (CDSE). Zľava: Nanokryštály rôznych farieb môžu byť nadšené jedným zdrojom (šípka ukazuje excitáciu argónového laseru s vlnovou dĺžkou 488 nm). Na prívode - fluorescencia CDSE / ZNS nanokryštály rôznych veľkostí (a teda farby), nadšené jedným svetelným zdrojom (UV žiarovka). Napravo: Quantum Dots sú extrémne fotobilizované v porovnaní s inými bežnými farbivami, rýchlo zničené pod lúčom ortuťovej lampy v žiarivkovom mikroskope.

Obrázok 3. Vlastnosti Quantum Dots z rôznych materiálov. Zhora: Fluorescenčné rozsahy nanokryštálov vyrobených z rôznych materiálov. Dno: CDSE Quantum Body rôznych veľkostí pokrývajú celý viditeľný rozsah 460-660 nm. Zo dna doprava: Schéma stabilizovaného kvantového bodu, kde je "jadro" pokryté polovodičovým plášťom a ochrannou vrstvou polyméru.

Technológie

Syntéza nanokryštálov sa uskutočňuje rýchlou injekciou prekurzorov zlúčenín do reakčného média pri vysokých teplotách (300-350 ° C) a následným pomalým rastom nanokryštálov pri relatívne nízkej teplote (250-300 ° C). V režime "Zaostrovací" syntézy je rastu malých častíc väčšia ako rýchlosť rastu veľká, v dôsledku čoho sa znížila variácia veľkosti nanokryštálov ,. \\ t

Technológia kontrolovanej syntézy vám umožňuje ovládať formu nanočastíc pomocou anizotropie nanokryštály. Charakteristická kryštalická štruktúra konkrétneho materiálu (napríklad pre CDSE je charakterizovaná hexagonálnym obalom - trokitídou, obr. 3) sprostredkováva "vybrané" nárysy rastu, ktoré určujú formu nanokryštálov. Takže nanishing alebo tetrapeds sa získajú - nanokryštály, predĺžené v štyroch smeroch (obr. 4).

Obrázok 4. Rôzne tvar cdse nanokryštály. Zľava: CDSE / ZNS sférické nanokryštály (Quantum Dots); v centre: Tvar podobný tyče (kvantové tyče). Napravo: Vo forme tetrapeods. (Priesvitná elektrónová mikroskopia. Tag - 20 nm.)

Osoby na ceste praktickej aplikácie

Na ceste praktického použitia nanokryštálov z polovodičov skupín II-VI existuje niekoľko obmedzení. Po prvé, luminiscenčný kvantový výnos významne závisí od vlastností životného prostredia. Po druhé, stabilita jadier nanokryštálov vo vodných roztokoch je tiež malý. Problém je povrchné "chyby", ktoré zohrávajú úlohu nenásilných rekombinantných centier alebo "pascí" pre vzrušený e-H. Pár.

Na prekonanie týchto problémov sa kvantové body uzatvárajú do škrupiny pozostávajúcej z niekoľkých vrstiev široký rezistentný materiál. To vám umožní izolovať e-H. Pár v jadre, na zvýšenie času svojho života, znížiť netlatnú rekombináciu, a preto zvýšiť kvantový fluorescenčný výťažok a phopostabilita.

V tomto ohľade majú teraz najpoužívanejšie fluorescenčné nanokryštály štruktúru jadra / shell (obr. 3). Vyvinuté postupy pre syntézu Nanokryštálov CDSE / ZNS vám umožňujú dosiahnuť kvantový výstup 90%, ktorý je blízko najlepších organických fluorescenčných farbív.

Časť II: Použitie citovaných bodov vo forme koloidných nanokryštálov

Fluorofóry v medicíne a biológii

Unikátne vlastnosti CT im umožňujú používať ich v takmer všetkých systémoch označovania a vizualizácie biologických objektov (s výnimkou iba fluorescenčných intracelulárnych etikiet exprimovaných geneticky známymi fluorescenčnými proteínmi).

Ak chcete vizualizovať biologické objekty alebo CT procesy, môžete zadať objekt priamo alebo s "šité" rozpoznávajúce molekuly (zvyčajne protilátky alebo oligonukleotidy). Nanokryštály prenikajú a distribuujú nad objekt podľa ich vlastností. Napríklad nanokryštály rôznych veľkostí prenikajú do biologických membrán rôznymi spôsobmi, a pretože veľkosť určuje farbu fluorescencie, rôzne oblasti objektu sú natreté rôznymi spôsobmi (obr. 5) ,. Prítomnosť rozpoznávania molekúl na povrchu nanokryštálov vám umožňuje implementovať viazanie adries: požadovaný objekt (napríklad nádor) je natretý v určenej farbe!

Obrázok 5. Farbenie objektov. Zľava: Viacfarebný konfokálny fluorescenčný obraz distribúcie kvantových bodiek proti pozadia mikroštruktúry bunkového cytoskeletu a jadra v bunkách thp-1 línie ľudských fagocytov. Nanokryštály zostávajú fotostable v bunkách najmenej 24 hodín a nespôsobujú porušenie štruktúry a funkcie buniek. Napravo: Akumulácia nanokryštálov, "šité" s RGD peptidom v oblasti nádoru (šípka). Na pravú kontrolu sa nanokryštály zavádzajú bez peptidu (CDTE nanokryštály, 705 nm).

Spektrálne kódovanie a "tekuté mikročipy"

Ako už bolo spomenuté, vrchol fluorescencie úzkych nanokryštálov a je symetrický, ktorý umožňuje bezpečne prideliť fluorescenčný signál rôznych farieb rôznych farieb (až desať farieb vo viditeľnom rozsahu). Naopak, absorpčný pás nanokryštály je široký, to znamená, že nanokryštály všetkých farieb môžu byť nadšené jedným zdrojom svetla. Tieto vlastnosti, ako aj ich vysoká fotostabilita, vytvára kvantové bodky Ideálne fluorofors pre multicolor spektrálne kódujúce objekty - ako čiarový kód, ale pomocou multicolor a "neviditeľných" kódov, ktoré fluorescenci v infračervenej oblasti.

Termín "tekutý mikročips" sa v súčasnosti čoraz viac používa, čo umožňuje, podobne ako klasické ploché čipy, kde detekčné prvky sú umiestnené v rovine, analyzujú sadu parametrov súčasne s použitím vzorky mikroklish. Princíp spektrálneho kódovania s použitím tekutých mikročipov ilustruje obrázok 6. Každý prvok mikročipu obsahuje špecifikované množstvo špecifických farieb CT a počet kódovaných možností môže byť veľmi veľký!

Obrázok 6. Princíp spektrálneho kódovania. Zľava: "Normálny" plochý mikročip. Napravo: "Kvapalný mikročip", ktorého prvok obsahuje špecifikované množstvá špecifických farieb CT. Pre n. Úrovne intenzity fluorescencie a m. Farby Teoretické množstvo kódovaných možností je rovnaké n M.-1. Takže pre 5-6 farieb a 6 úrovní intenzity to bude 10 000-40000 možností.

Takéto kódované stopové prvky môžu byť použité na priame označovanie všetkých objektov (napríklad cenné papiere). Byť implementovaný v polymérnych matroch, sú extrémne stabilné a trvanlivé. Ďalším aspektom aplikácie je identifikácia biologických objektov vo vývoji včasných diagnostických metód. Spôsobom indikácie a identifikácie je, že určitá rozpoznávacia molekula je pripojená k každému spektrálne kódovanom telese mikročipu. V roztoku sa nachádza druhá rozpoznávacia molekula, ku ktorej bude signálny fluórform "šitý". Súčasný vzhľad fluorescencie mikročipu a signálneho fluorofónu označuje prítomnosť objektu, ktorý sa študuje v analyzovanej zmesi.

Na analýzu kódovaných mikročastíc "na prúde" sa môže použiť prietoková cytometria. Roztok obsahujúci mikročastice prechádza cez kanál ožiarený laserom, kde sa každá častica charakterizuje spektrálnym. Softvérový softvér vám umožňuje identifikovať a charakterizovať udalosti spojené s výskytom určitých zlúčenín vo vzorke - napríklad rakovinové alebo autoimunitné ochorenia ,. \\ t

V budúcnosti, na základe polovodičových fluorescenčných nanokryštálov, mikroanalysty môžu byť vytvorené pre súčasné registráciu naraz obrovským množstvom objektov.

Molekulárne snímače

Použitie CT ako sondy umožňuje meranie parametrov média v lokálnych oblastiach, ktorých veľkosť je porovnateľná s veľkosťou sondy (nanometrová stupnica). Základ takýchto meracích prístrojov je založený na používaní účinku feryerovej energie rezonančnej ramenu (Förster Resonanse Energy Transfer - Fret). Podstatou efektu FRET spočíva v tom, že keď dva objekty (darcovia a akceptor) a prekrývajú sa fluorescenčné spektrum Prvý S. spektrum absorpcie Druhý, energia sa prenáša neraditatívne - a ak akceptor môže fluorescenciu, bude sa rozsvietiť dvojitou silou.

Na účinok FRET sme už napísali v článku " Ruleta pre spektroskopista » .

Tri parametre kvantových bodov z nich robia veľmi atraktívnymi darcami v systémoch s formátom FRET.

Schopnosť vybrať emisnú vlnovú dĺžku s vysokou presnosťou na získanie maximálneho prekrývania emisných spektier a akceptorov excitácie.
Možnosť excitácie rôznych CTS jednej vlnovej dĺžky jedného svetelného zdroja.
Možnosť excitácie v spektrálnej oblasti je ďaleko od vlnovej dĺžky emisií (rozdiel\u003e 100 nm).

Existujú dva stratégie efektu FRET:

registrácia Aktu o interakcii medzi dvoma molekulami v dôsledku konformačných zmien v systéme darcovskej akceptorov a
registrácia zmien optických vlastností darcu alebo akceptora (napríklad absorpčné spektrum).

Tento prístup umožnil implementovať snímače nanočastice na meranie pH a koncentrácie kovových iónov v lokálnej oblasti vzorky. Citlivým prvkom v takomto snímači je vrstva indikátorových molekúl, ktoré menia optické vlastnosti, keď sa viažu na registrovaný ión. V dôsledku väzby sa prekrytie fluorescenčného spektra CT a absorpcie zmien indikátorov, ktoré menia účinnosť prenosu energie.

Prístup, ktorý využíva konformačné zmeny v systémovej akceptori systému, sa implementuje v snímači teploty nanoscale. Činnosť senzora je založená na zmene teploty tvaru molekuly polyméru, ktorá spája kvantový bod a akceptor - fluorescencia riadená. Keď sa teplota zmení, vzdialenosť medzi stewerom a fluorofeof zmenami a intenzitou fluorescencie, pre ktorú je už uzavretý záver.

Molekulárna diagnóza

Rozdiel alebo tvorba komunikácie medzi darcom a akceptorom je možné zaregistrovať rovnakým spôsobom. Obrázok 7 ukazuje princíp registrácie "sendvičový", v ktorom zaznamenaný objekt funguje ako spojivo ("adaptér") medzi darcom a akceptorom.

Obrázok 7. Zásada registrácie pomocou formátu FRET. Tvorba konjugátu ("kvapalný mikročip") - (registrovaný objekt) - (signálny fluorofór) vedie k zblíženiu darcu (nanokryštálu) s akceptorom (alexafluor farbivo). Samo o sebe, laserové žiarenie nevykrčuje fluorescenciu farbiva; Fluorescenčný signál sa objaví len vďaka rezonančnému prenosu energie z Nanokryštálu CDSE / ZNS. Zľava: Konjugátová štruktúra s prenosom energie. Napravo: Spektrálna diagram excitácie farbiva.

Príkladom implementácie tejto metódy je vytvoriť diagnózu pre autoimunitné ochorenie. systémová sklerodermia (sklerodermia). Darcom tu bolo kvantové bodky s fluorescenčnou vlnovou dĺžkou 590 nm a akceptor je organické farbivo - Alexafluor 633. Na povrchu mikročastice obsahujúcej Quantum Dots, "Šité" antigén na autoantibure - markerová sklerodermia. V roztoku sa podávali sekundárne protilátky označené farbením. V neprítomnosti cieľa nie je farbivo bližšie k povrchu mikročastíc, prenos energie chýba a farbivo nie je fluorescencia. Ak sa však vo vzorke objavujú autoprotilátky, to vedie k tvorbe komplexu mikročastičného autorátilu-farbiva. V dôsledku prevodu energie je farbivo vzrušený, a signál jeho fluorescencie s vlnovou dĺžkou 633 nm sa objavuje v spektre.

Význam tejto práce je tiež v skutočnosti, že autoantibodiky môžu byť použité ako diagnostické markery v najskoršom štádiu vývoja autoimunitných ochorení. "Kvapalné mikročipy" vám umožňujú vytvárať testovacie systémy, v ktorých sú antigény v oveľa prirodzenejších podmienkach namiesto roviny (ako v "bežných" mikročipoch). Získané výsledky otvorili spôsob vytvorenia nového typu klinických diagnostických testov na základe používania Quantum Dots. A implementácia prístupov založených na používaní spektrálnych kódovaných tekutých mikročipov bude súčasne určiť obsah množstva markerov naraz, čo je základom výrazného zvýšenia spoľahlivosti výsledkov diagnózy a vývoja včasných diagnostických metód .

Hybridné molekulárne zariadenia

Možnosť flexibilnej kontroly spektrálnych charakteristík Quantum Dots otvára cestu k nanoscale spektrálnym zariadeniam. Najmä CD, na základe Cadmium Tellur (CDTE) umožnilo rozšíriť spektrálnu citlivosť bakteroriodopsin (Br), známe svojou schopnosťou používať svetelnú energiu pre "čerpanie" protónov cez membránu. (Výsledný elektrochemický gradient používa baktérie pre syntézu ATP.)

V skutočnosti bol získaný nový hybridný materiál: Spojenie kvantových bodiek fialová membrána - Lipidová membrána obsahujúca pevne zabalené bakteriorické molekuly - rozširuje rozsah fotosenzitivity na oblasti UV a modrého spektra, kde "obyčajné" Br nebýva svetlo (obr. 8). Mechanizmus prenosu energie je bakterioropping z kvantového bodu absorbujúceho svetlo v UV a modrej oblasti, všetky rovnaké: je to praža; Výsledné žiarenie v tomto prípade vyčnieva retinál - rovnaký pigment, ktorý pracuje vo fotoreceptori Rhodopsin.

Obrázok 8. "Upgrade" bakterioroppens s kvantovými bodkami. Zľava: Proteólotypozóm obsahujúci bakteriorioriodopsín (vo forme trimérov) s "plazím" k nemu podľa kvantových bodov na báze CDTE (znázornené oranžovými guľmi). Napravo: Systém expanzie spektrálnej citlivosti BR kvôli CT: na ploche spektra pozorovania CT je v UV a modrej časti spektra; spektrum prázdny Môžete "konfigurovať", vyzdvihnúť veľkosť nanokrystal. V tomto systéme sa však systém emisií energie nevyskytuje kvantovými bodkami: samotná energia migruje na bakterioriodopsín, ktorý robí prácu (čerpadlá H + ióny vo vnútri lipozómu).

Vytvorené na základe takéhoto materiálu proteólových hodnôt (lipidové "bubliny" obsahujúce BR-CT hybridné) počas osvetlenia sa vstrekujú do protónov, účinne znižuje pH (obr. 8). Tento nevýznamný vynález môže v budúcnosti ľahnúť ako základ pre optoelektronické a fotonické zariadenia a nájsť použitie v oblasti elektrického energetického priemyslu a iných typov fotovoltaických transformácií.

Zhrnutie, malo by sa zdôrazniť, že citované bodky vo forme koloidných nanokryštálov sú sľubné objekty nano-, bionano- a biomedanologických technológií. Po prvej demonštrácii možností kvantových bodov ako fluorofóry v roku 1998, niekoľko rokov, bol pozorovaný spojený s tvorbou nových originálnych prístupov k používaniu nanokryštálov a implementáciu potenciálnych schopností, ktoré tieto jedinečné objekty majú. Ale v posledných rokoch došlo k prudkému vzostupe: akumulácia myšlienok a ich implementácií identifikoval prielom v oblasti tvorby nových zariadení a nástrojov na základe používania polovodičových nanokryštalických kvantových bodov v biológii, medicíne, elektronickej technológii, technológii slnečnej energie a mnoho ďalších. Samozrejme, stále existuje mnoho nevyriešených problémov na tejto ceste, ale rastúci záujem, rastúci počet tímov, ktoré pracujú na týchto problémoch, rastúci počet publikácií v tejto oblasti, naznačujú, že kvantové body budú základom techniky a Nasledujúce technológie generácie.

Video nahrávanie vystúpení V.A. Oleinikova Na druhom seminári Rady mladých vedcov IBH RAS, ktorý sa konal 17. mája 2012.

Literatúra

Oleinikov V.A. (2010). Kvantové bodky v biológii a medicíne. Príroda. 3 , 22;
Oleinikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiyev I.R. (2007). Fluorescenčné polovodičové nanokryštály v oblasti biológie a medicíny. Ruské nanotechnológie. 2 , 160–173;
Alyona SUKHANOVA, LYDIE VENTEO, Jérôme Deviť, Michail ArteMyev, Vladimir Oleinikov, et. Al .. (2002). Vysoko stabilné fluorescenčné nanokryštály ako nová trieda etikiet na imunohistochemickú analýzu parafínových tkanivových rezov. Lab Invest.. 82 , 1259-1261;
C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Syntéza a charakterizácia takmer monodisperse CDE (E \u003d Sulfur, Selénium, telurium) polovodičové nanokrystality. J. AM. Chem. Soc.. 115 , 8706-8715;
Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Jasné UV-BLUE Luminiscenčné koloidné znse nanokryštály. J. PHOHY. Chem. B.. 102 , 3655-3657;
Manna L., SCHER E.C., ALIVISATOS P.A. (2002). Ovládanie tvaru koloidných polovodičových nanokryštálov. J. CLUST. Sci. 13 , 521–532;
Fluorescenčná Nobelová cena v chémii;
Igor Nabiiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. Al .. (2007). Nefunkčné nanokryštály môžu využívať bunkové aktívne dopravné stroje doručenie na špecifické jadrové a cytoplazmatické oddelenia. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Maå, Gorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. Al .. (2009). Sondovacie bunky-typovo špecifické intracelulárne nanoscale bariéry s použitím veľkostných ladených kvantových bodov nano-pH metra;
Alyona SUKHANOVA, ANDREI S. SUSHA, ALPPA, SERGIY Mayilo, Andrey L. Rogach, et. Al .. (2007). Nanokrystal-kódované fluorescenčné mikrobusy na proteomics: proilovanie protilátok a diagnostiku autoimunitných ochorení. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
ALIAKSANDRA RAKOVICH, ALYONA SUKHANOVA, NICOLAS BOUCHONVILLE, EVGENIY LUKASHEV, Vladimir Oleinikov, et. Al .. (2010). Rezonančný prenos energie zlepšuje biologickú funkciu bakteriorhodopsínu v hybridnom materiáli postavenom z fialových membrán a polovodičových kvantových bodov. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;