Quantum Dot LED to nowa technologia produkcji wyświetlaczy. Kropki kwantowe: drukowanie i inne zastosowania

Liczne metody spektroskopowe, które pojawiły się w drugiej połowie XX wieku – mikroskopia elektronowa i sił atomowych, spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, spektrometria mas – wydawać by się mogło, że tradycyjna mikroskopia optyczna już dawno „wycofała się”. Jednak umiejętne wykorzystanie zjawiska fluorescencji nie raz przedłużyło życie „weterana”. W tym artykule omówimy kropki kwantowe(fluorescencyjne nanokryształy półprzewodników), które tchnęły nową siłę w mikroskopię optyczną i umożliwiły spojrzenie poza osławioną granicę dyfrakcji. Unikalny właściwości fizyczne Kropki kwantowe czynią je idealnym narzędziem do ultraczułej, wielobarwnej rejestracji obiektów biologicznych, a także do diagnostyki medycznej.

Praca daje wyobrażenia o zasady fizyczne, określający unikalne właściwości kropek kwantowych, główne idee i perspektywy wykorzystania nanokryształów oraz opisuje już osiągnięte sukcesy w ich zastosowaniu w biologii i medycynie. W artykule wykorzystano wyniki badań przeprowadzonych w ostatnie lata w Pracowni Biofizyki Molekularnej Instytutu Chemii Bioorganicznej im. MM. Shemyakin i Yu.A. Ovchinnikov wraz z Uniwersytetem w Reims i Białoruskim Uniwersytetem Państwowym, mające na celu opracowanie nowej generacji technologii biomarkerów dla różnych obszarów diagnostyki klinicznej, w tym nowotworów i chorób autoimmunologicznych, a także stworzenie nowych typów nanosensorów do jednoczesnej rejestracji wielu procesów biomedycznych parametry. Oryginalna wersja dzieła została opublikowana w czasopiśmie Nature; artykuł w pewnym stopniu nawiązuje do drugiego seminarium Rady Młodych Naukowców IBCh RAS. - Wyd.

Część I, teoretyczna

Rysunek 1. Dyskretne poziomy energii w nanokryształach. Półprzewodnik „stały” ( lewy) ma pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa oddzielone pasmem wzbronionym Np. Nanokryształ półprzewodnikowy ( po prawej) charakteryzuje się dyskretnymi poziomami energii, podobnymi do poziomów energii pojedynczego atomu. W nanokrysztale Np jest funkcją rozmiaru: wzrost rozmiaru nanokryształu prowadzi do jego zmniejszenia Np.

Zmniejszenie wielkości cząstek prowadzi do ujawnienia się bardzo nietypowych właściwości materiału, z którego jest wykonany. Powodem tego są efekty mechaniki kwantowej, które powstają, gdy ruch nośników ładunku jest przestrzennie ograniczony: energia nośników w tym przypadku staje się dyskretna. I liczba poziomów energii, jak nauczano mechanika kwantowa, zależy od wielkości „studni potencjału”, wysokości bariery potencjału i masy nośnika ładunku. Zwiększanie rozmiaru „studni” prowadzi do wzrostu liczby poziomów energii, które stają się coraz bliżej siebie, aż do momentu, gdy się połączą, a widmo energii stanie się „stałe” (ryc. 1). Ruch nośników ładunku można ograniczyć wzdłuż jednej współrzędnej (tworząc filmy kwantowe), wzdłuż dwóch współrzędnych (druty lub nici kwantowe) lub we wszystkich trzech kierunkach – będą to kropki kwantowe(CT).

Nanokryształy półprzewodnikowe to struktury pośrednie pomiędzy klastrami molekularnymi a materiałami „stałymi”. Granice pomiędzy materiałami molekularnymi, nanokrystalicznymi i stałymi nie są jasno określone; jednakże zakres 100 ÷ 10 000 atomów na cząstkę można wstępnie uznać za „górną granicę” nanokryształów. Górna granica odpowiada rozmiarom, dla których odstęp między poziomami energii przekracza energię drgań termicznych kT (k- stała Boltzmanna, T- temperatura), gdy nośniki ładunku stają się mobilne.

Naturalną skalę długości obszarów wzbudzonych elektronicznie w „ciągłych” półprzewodnikach określa promień ekscytonu Bohra x, która zależy od siły oddziaływania kulombowskiego pomiędzy elektronem ( mi) I otwór (H). W nanokryształach rzędu wielkości a x sam rozmiar zaczyna wpływać na konfigurację pary e-h i stąd wielkość ekscytonu. Okazuje się, że w tym przypadku energie elektronów są bezpośrednio zdeterminowane przez wielkość nanokryształu – zjawisko to znane jest jako „efekt uwięzienia kwantowego”. Wykorzystując ten efekt, można regulować pasmo wzbronione nanokryształu ( Np), po prostu zmieniając wielkość cząstek (Tabela 1).

Unikalne właściwości kropek kwantowych

Jako obiekt fizyczny, kropki kwantowe są znane już od dawna, będąc jedną z form, które obecnie są intensywnie rozwijane. heterostruktury. Cechą szczególną kropek kwantowych w postaci nanokryształów koloidalnych jest to, że każda kropka jest izolowanym i ruchomym obiektem znajdującym się w rozpuszczalniku. Z takich nanokryształów można konstruować różne asocjaty, hybrydy, uporządkowane warstwy itp., w oparciu o które konstruowane są elementy urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych, sondy i czujniki do analizy w mikroobjętościach materii, różne nanoczujniki fluorescencyjne, chemiluminescencyjne i fotoelektrochemiczne .

Powodem szybkiej penetracji nanokryształów półprzewodnikowych do różnych różne obszary nauka i technologia to ich unikalne właściwości optyczne:

• wąski symetryczny pik fluorescencji (w przeciwieństwie do barwników organicznych, które charakteryzują się obecnością długofalowego „ogona”; ryc. 2, lewy), którego położenie jest kontrolowane przez dobór wielkości nanokryształu i jego składu (ryc. 3);
• szerokie pasmo wzbudzenia, co umożliwia wzbudzenie nanokryształów o różnych barwach jednym źródłem promieniowania (rys. 2, lewy). Zaleta ta ma fundamentalne znaczenie przy tworzeniu wielokolorowych systemów kodowania;
• wysoka jasność fluorescencji, determinowana dużą wartością ekstynkcji i wysoką wydajnością kwantową (dla nanokryształów CdSe/ZnS - do 70%);
• wyjątkowo wysoka fotostabilność (ryc. 2, po prawej), co pozwala na zastosowanie źródeł wzbudzenia o dużej mocy.

Rysunek 2. Właściwości widmowe kropek kwantowych kadmu i selenu (CdSe). Lewy: Nanokryształy o różnych kolorach można wzbudzić jednym źródłem (strzałka wskazuje wzbudzenie laserem argonowym o długości fali 488 nm). Wstawka przedstawia fluorescencję nanokryształów CdSe/ZnS o różnych rozmiarach (i odpowiednio kolorach) wzbudzonych pojedynczym źródłem światła (lampą UV). Po prawej: Kropki kwantowe są wyjątkowo fotostabilne w porównaniu do innych powszechnych barwników, które szybko ulegają degradacji pod wpływem wiązki lampy rtęciowej w mikroskopie fluorescencyjnym.

Rysunek 3. Właściwości kropek kwantowych z różne materiały. Powyżej: Zakresy fluorescencji nanokryształów wykonanych z różnych materiałów. Spód: Kropki kwantowe CdSe o różnej wielkości pokrywają cały zakres widzialny 460–660 nm. Prawy dolny: Schemat ustabilizowanej kropki kwantowej, której „rdzeń” pokryty jest powłoką półprzewodnikową warstwa ochronna polimer.

Technologia odbioru

Synteza nanokryształów odbywa się poprzez szybkie wprowadzenie do środowiska reakcji związków prekursorowych w wysokiej temperaturze (300–350°C), a następnie powolny wzrost nanokryształy w stosunkowo niskich temperaturach (250–300 °C). W trybie syntezy „ogniskowej” tempo wzrostu małych cząstek jest większe niż tempo wzrostu dużych, w wyniku czego zmniejsza się rozprzestrzenianie się rozmiarów nanokryształów.

Technologia kontrolowanej syntezy pozwala kontrolować kształt nanocząstek wykorzystując anizotropię nanokryształów. Charakterystyczna struktura krystaliczna konkretnego materiału (np. CdSe charakteryzuje się sześciokątnym upakowaniem – wurcyt, rys. 3) pośredniczy w „preferowanych” kierunkach wzrostu, które determinują kształt nanokryształów. W ten sposób uzyskuje się nanopręty lub czworonogi – nanokryształy wydłużone w czterech kierunkach (ryc. 4).

Rysunek 4. Inny kształt Nanokryształy CdSe. Lewy: Sferyczne nanokryształy CdSe/ZnS (kropki kwantowe); w centrum: w kształcie pręta (pręty kwantowe). Po prawej: w postaci czworonogów. (Transmisyjna mikroskopia elektronowa. Znak - 20 nm.)

Bariery praktycznego zastosowania

Istnieje szereg ograniczeń w praktycznym zastosowaniu nanokryształów wykonanych z półprzewodników grupy II–VI. Po pierwsze, ich wydajność kwantowa luminescencji w istotny sposób zależy od właściwości otoczenia. Po drugie, stabilność „jąder” nanokryształów w roztworach wodnych jest również niska. Problem leży w „defektach” powierzchni, które pełnią rolę niepromienistych ośrodków rekombinacji lub „pułapek” dla wzbudzonych e-h para.

Aby przezwyciężyć te problemy, kropki kwantowe zamyka się w powłoce składającej się z kilku warstw materiału o szerokich szczelinach. To pozwala na izolację e-h pary w jądrze, wydłużają jego czas życia, zmniejszają rekombinację niepromienistą, a tym samym zwiększają wydajność kwantową fluorescencji i fotostabilności.

Pod tym względem obecnie najczęściej stosowane nanokryształy fluorescencyjne mają strukturę rdzeń/powłoka (ryc. 3). Opracowane procedury syntezy nanokryształów CdSe/ZnS pozwalają na osiągnięcie wydajności kwantowej na poziomie 90%, czyli zbliżonej do najlepszych organicznych barwników fluorescencyjnych.

Część II: Zastosowania kropek kwantowych w postaci nanokryształów koloidalnych

Fluorofory w medycynie i biologii

Unikalne właściwości QD sprawiają, że można je zastosować w niemal wszystkich systemach znakowania i wizualizacji obiektów biologicznych (z wyjątkiem wyłącznie fluorescencyjnych znaczników wewnątrzkomórkowych, ulegających ekspresji genetycznej – dobrze znanych białek fluorescencyjnych).

Aby zwizualizować obiekty lub procesy biologiczne, QD można wprowadzić do obiektu bezpośrednio lub za pomocą „wszytych” cząsteczek rozpoznających (zwykle przeciwciał lub oligonukleotydów). Nanokryształy wnikają i rozprowadzają się po obiekcie zgodnie ze swoimi właściwościami. Na przykład nanokryształy o różnych rozmiarach przenikają przez błony biologiczne na różne sposoby, a ponieważ rozmiar determinuje kolor fluorescencji, różne obszary obiektu również są inaczej zabarwione (ryc. 5). Obecność cząsteczek rozpoznających na powierzchni nanokryształów pozwala na ukierunkowane wiązanie: pożądany obiekt (np. guz) zostaje pomalowany danym kolorem!

Rysunek 5. Kolorowanie obiektów. Lewy: wielobarwny, konfokalny obraz fluorescencyjny rozkładu kropek kwantowych na tle mikrostruktury cytoszkieletu komórkowego i jądra komórkowego w ludzkich komórkach fagocytowych THP-1. Nanokryształy pozostają fotostabilne w komórkach przez co najmniej 24 godziny i nie powodują zakłóceń w strukturze i funkcjonowaniu komórek. Po prawej: akumulacja nanokryształów „usieciowanych” z peptydem RGD w obszarze guza (strzałka). Po prawej stronie znajduje się kontrola, wprowadzono nanokryształy bez peptydu (nanokryształy CdTe, 705 nm).

Kodowanie spektralne i „płynne mikrochipy”

Jak już wskazano, pik fluorescencji nanokryształów jest wąski i symetryczny, co umożliwia wiarygodną izolację sygnału fluorescencji nanokryształów o różnych barwach (do dziesięciu kolorów w zakresie widzialnym). Wręcz przeciwnie, pasmo absorpcji nanokryształów jest szerokie, co oznacza, że ​​nanokryształy wszystkich kolorów mogą być wzbudzane przez jedno źródło światła. Te właściwości, a także ich wysoka fotostabilność sprawiają, że kropki kwantowe są idealnymi fluoroforami do wielobarwnego widmowego kodowania obiektów - podobnego do kodu kreskowego, ale wykorzystującego wielokolorowe i „niewidzialne” kody, które fluoryzują w obszarze podczerwieni.

Obecnie coraz częściej używa się terminu „mikrochipy płynne”, które pozwalają, podobnie jak klasyczne chipy płaskie, w których elementy detekcyjne rozmieszczone są na płaszczyźnie, na analizę wielu parametrów jednocześnie, wykorzystując mikroobjętości próbki. Zasada kodowania widmowego przy użyciu płynnych mikrochipów została przedstawiona na rysunku 6. Każdy element mikrochipa zawiera określoną ilość QD o określonych kolorach, a liczba zakodowanych opcji może być bardzo duża!

Rysunek 6. Zasada kodowania widmowego. Lewy:„zwykły” płaski mikrochip. Po prawej:„płynny mikrochip”, którego każdy element zawiera określoną ilość QD o określonych kolorach. Na N poziomy intensywności fluorescencji i M kolorów, teoretyczna liczba zakodowanych opcji wynosi n m−1. Zatem dla 5–6 kolorów i 6 poziomów intensywności będzie to 10 000–40 000 opcji.

Tak zakodowane mikroelementy można wykorzystać do bezpośredniego znakowania dowolnych obiektów (np. papierów wartościowych). Osadzone w matrycach polimerowych są niezwykle stabilne i trwałe. Kolejnym aspektem zastosowania jest identyfikacja obiektów biologicznych w rozwoju wczesnych metod diagnostycznych. Wskazanie i metoda identyfikacji polega na tym, że do każdego zakodowanego spektralnie elementu mikrochipa przyłączona jest specyficzna cząsteczka rozpoznająca. W roztworze znajduje się druga cząsteczka rozpoznawcza, do której „wszyty jest” fluorofor sygnałowy. Jednoczesne pojawienie się fluorescencji mikrochipu i sygnału fluoroforu wskazuje na obecność badanego obiektu w analizowanej mieszaninie.

Cytometrię przepływową można wykorzystać do analizy zakodowanych mikrocząstek on-line. Roztwór zawierający mikrocząstki przechodzi przez naświetlony laserem kanał, gdzie każda cząsteczka jest scharakteryzowana widmowo. Oprogramowanie Urządzenie pozwala na identyfikację i scharakteryzowanie zdarzeń związanych z pojawieniem się w próbce określonych związków – np. markerów nowotworów czy chorób autoimmunologicznych.

W przyszłości możliwe będzie tworzenie mikroanalizatorów bazujących na półprzewodnikowych nanokryształach fluorescencyjnych, pozwalających na jednoczesną rejestrację ogromnej liczby obiektów.

Czujniki molekularne

Zastosowanie QD jako sond umożliwia pomiar parametrów środowiskowych w obszarach lokalnych, których wielkość jest porównywalna z wielkością sondy (skala nanometrowa). Działanie takie urządzenia pomiarowe Opiera się na wykorzystaniu rezonansowego transferu energii Förstera – efektu FRET. Istota efektu FRET polega na tym, że dwa obiekty (donor i akceptor) zbliżają się i nakładają widmo fluorescencji pierwszy z widmo absorpcyjne po drugie, energia jest przenoszona bez promieniowania i jeśli akceptor może fluoryzować, będzie świecił z dwukrotnie większą intensywnością.

O efekcie FRET pisaliśmy już w artykule „ Ruletka dla spektroskopisty » .

Trzy parametry kropek kwantowych czynią je bardzo atrakcyjnymi dawcami w układach w formacie FRET.

1. Możliwość z wysoka celność wybierz długość fali emisji, którą chcesz uzyskać maksymalne nakładanie się widma emisyjne donora i widma wzbudzenia akceptora.
2. Możliwość wzbudzenia różnych QD przy tej samej długości fali pojedynczego źródła światła.
3. Możliwość wzbudzenia w obszarze widmowym odległym od długości fali emisji (różnica >100 nm).

Istnieją dwie strategie wykorzystania efektu FRET:

• rejestracja aktu interakcji między dwiema cząsteczkami w wyniku zmian konformacyjnych w układzie donor-akceptor i
• rejestracja zmian właściwości optyczne donor lub akceptor (na przykład widmo absorpcyjne).

Podejście to umożliwiło zastosowanie nanoczujników do pomiaru pH i stężenia jonów metali w lokalnym obszarze próbki. Czułym elementem takiego czujnika jest warstwa cząsteczek wskaźnikowych, które po związaniu z wykrytym jonem zmieniają właściwości optyczne. W wyniku wiązania zmienia się nakładanie się widm fluorescencji QD i widm absorpcji wskaźnika, co również zmienia efektywność transferu energii.

Podejście wykorzystujące zmiany konformacyjne w układzie donor-akceptor zastosowano w czujniku temperatury w skali nano. Działanie czujnika opiera się na zmianie temperatury kształtu cząsteczki polimeru łączącej kropkę kwantową z akceptorem – wygaszaczem fluorescencji. Gdy zmienia się temperatura, zmienia się zarówno odległość między wygaszaczem a fluoroforem, jak i intensywność fluorescencji, z której można wyciągnąć wnioski dotyczące temperatury.

Diagnostyka molekularna

W ten sam sposób można wykryć zerwanie lub utworzenie wiązania pomiędzy dawcą i akceptorem. Rycina 7 przedstawia zasadę rejestracji „kanapkowej”, w której rejestrowany przedmiot pełni rolę ogniwa łączącego („adaptera”) pomiędzy dawcą a akceptorem.

Rysunek 7. Zasada rejestracji z wykorzystaniem formatu FRET. Utworzenie koniugatu („płynny mikrochip”) – (obiekt zarejestrowany) – (fluorofor sygnałowy) przybliża dawcę (nanokryształ) do akceptora (barwnik AlexaFluor). Samodzielnie promieniowanie laserowe nie wzbudza fluorescencji barwnika; sygnał fluorescencyjny pojawia się jedynie w wyniku rezonansowego przeniesienia energii z nanokryształu CdSe/ZnS. Lewy: Struktura koniugatu z transferem energii. Po prawej: wykres widmowy wzbudzenia barwnika.

Przykładem wdrożenia tej metody jest stworzenie zestawu diagnostycznego w kierunku choroby autoimmunologicznej twardzina układowa(twardzina skóry). Tutaj dawcą były kropki kwantowe o długości fali fluorescencji 590 nm, a akceptorem barwnik organiczny – AlexaFluor 633. Antygen „wszyto” na powierzchnię mikrocząstki zawierającej kropki kwantowe do autoprzeciwciała – markera twardziny skóry. Do roztworu wprowadzono przeciwciała wtórne znakowane barwnikiem. W przypadku braku targetu barwnik nie zbliża się do powierzchni mikrocząstki, nie następuje transfer energii i barwnik nie fluoryzuje. Jeśli jednak w próbce pojawią się autoprzeciwciała, prowadzi to do powstania kompleksu mikrocząstki-autoprzeciwciała-barwnik. W wyniku przekazania energii następuje wzbudzenie barwnika, a w widmie pojawia się jego sygnał fluorescencji o długości fali 633 nm.

Znaczenie tej pracy polega także na tym, że autoprzeciwciała można wykorzystać jako markery diagnostyczne na bardzo wczesnych etapach rozwoju chorób autoimmunologicznych. „Płynne mikrochipy” umożliwiają tworzenie systemów testowych, w których antygeny zlokalizowane są w znacznie większej liczbie naturalne warunki, a nie w samolocie (jak w „zwykłych” mikrochipach). Uzyskane już wyniki otwierają drogę do stworzenia nowego typu klinicznych testów diagnostycznych opartych na wykorzystaniu kropek kwantowych. Natomiast wdrożenie podejść opartych na wykorzystaniu płynnych mikrochipów kodowanych spektralnie umożliwi jednoczesne oznaczanie zawartości wielu markerów na raz, co jest podstawą znacznego wzrostu wiarygodności wyników diagnostycznych i rozwoju wczesnych metod diagnostycznych .

Hybrydowe urządzenia molekularne

Możliwość elastycznego kontrolowania charakterystyki widmowej kropek kwantowych otwiera drogę do urządzeń spektralnych w nanoskali. W szczególności QD na bazie kadmu i telluru (CdTe) umożliwiły poszerzenie czułości widmowej bakteriorodopsyna(bP), znany ze swojej zdolności do wykorzystywania energii świetlnej do „przepompowywania” protonów przez membranę. (Uzyskany gradient elektrochemiczny jest wykorzystywany przez bakterie do syntezy ATP.)

Faktycznie uzyskano nowy materiał hybrydowy: doczepianie kropek kwantowych fioletowa membrana- błona lipidowa zawierająca gęsto upakowane cząsteczki bakteriorodopsyny - rozszerza zakres światłoczułości na UV i niebieskie obszary widma, gdzie „zwykłe” bP nie absorbuje światła (ryc. 8). Mechanizm przekazywania energii do bakteriorodopsyny z kropki kwantowej pochłaniającej światło w obszarach UV i niebieskim jest wciąż taki sam: jest to FRET; Akceptorem promieniowania w tym przypadku jest siatkówka- ten sam pigment, który działa w fotoreceptorze rodopsynie.

Rysunek 8. „Ulepszenie” bakteriorodopsyny za pomocą kropek kwantowych. Lewy: proteoliposom zawierający bakteriorodopsynę (w postaci trimerów) z „przyszytymi” kropkami kwantowymi na bazie CdTe (pokazanymi jako pomarańczowe kule). Po prawej: schemat rozszerzania czułości widmowej bR ze względu na CT: obszar widma przejęcia QD znajduje się w UV i niebieskiej części widma; zakres emisje można „dostroić” poprzez wybór rozmiaru nanokryształu. Jednak w tym układzie energia nie jest emitowana przez kropki kwantowe: energia migruje w sposób niepromienisty do bakteriorodopsyny, która faktycznie działa (pompuje jony H + do liposomu).

Proteoliposomy (lipidowe „pęcherzyki” zawierające hybrydę bP-QD) powstałe na bazie takiego materiału pod wpływem oświetlenia pompują w siebie protony, skutecznie obniżając pH (ryc. 8). Ten pozornie nieistotny wynalazek może w przyszłości stanowić podstawę urządzeń optoelektronicznych i fotonicznych oraz znaleźć zastosowanie w dziedzinie energii elektrycznej i innych rodzajów konwersji fotoelektrycznych.

Podsumowując, należy podkreślić, że kropki kwantowe w postaci nanokryształów koloidalnych są najbardziej obiecującymi obiektami nano-, bionano- i bionanotechnologii miedzi. Po pierwszej demonstracji możliwości kropek kwantowych jako fluoroforów w 1998 r. nastąpiła kilkuletnia cisza związana z tworzeniem nowych, oryginalnych podejść do wykorzystania nanokryształów i uświadomieniem sobie potencjalnych możliwości, jakie posiadają te unikalne obiekty. Jednak w ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost: kumulacja pomysłów i ich wdrożenia zadecydowały o przełomie w tworzeniu nowych urządzeń i narzędzi opartych na zastosowaniu półprzewodnikowych nanokrystalicznych kropek kwantowych w biologii, medycynie, inżynierii elektronicznej, technologii używać energia słoneczna i wiele innych. Oczywiście jest jeszcze wiele na tej drodze nierozwiązane problemy, jednak rosnące zainteresowanie, rosnąca liczba zespołów zajmujących się tą problematyką oraz rosnąca liczba publikacji poświęconych temu obszarowi pozwalają mieć nadzieję, że kropki kwantowe staną się podstawą kolejnej generacji sprzętu i technologii.

Nagranie wideo przemówienia V.A Oleynikowa na drugim seminarium Rady Młodych Naukowców IBCh RAS, które odbyło się 17 maja 2012 r.

Literatura

1. Oleynikov V.A. (2010). Kropki kwantowe w biologii i medycynie. Natura. 3 , 22;
2. Oleynikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. (2007). Fluorescencyjne nanokryształy półprzewodnikowe w biologii i medycynie. Rosyjskie nanotechnologie. 2 , 160–173;
3. Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Michaił Artemyev, Władimir Oleinikov i in. al.. (2002). Wysoce stabilne fluorescencyjne nanokryształy jako nowa klasa znaczników do analizy immunohistochemicznej skrawków tkanek zatopionych w parafinie. Inwestycja laboratoryjna. 82 , 1259-1261;
4. C. B. Murray, DJ Norris, MG Bawendi. (1993). Synteza i charakterystyka prawie monodyspersyjnych nanokrystalitów półprzewodnikowych CdE (E = siarka, selen, tellur). J. Am. Chem. Towarzystwo. 115 , 8706-8715;
5. Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Jasne, niebieskie, luminescencyjne koloidalne nanokryształy ZnSe. J.Fiz. Chem. B. 102 , 3655-3657;
6. Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Kontrola kształtu koloidalnych nanokryształów półprzewodników. J. Clust. Nauka. 13 , 521–532;
7. Fluorescencyjna Nagroda Nobla w dziedzinie chemii;
8. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher i in. al.. (2007). Niefunkcjonalizowane nanokryształy mogą wykorzystywać mechanizmy aktywnego transportu komórki, dostarczając je do określonych przedziałów jądrowych i cytoplazmatycznych. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
9. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Małgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell i in. al.. (2009). Sondowanie specyficznych dla typu komórek wewnątrzkomórkowych barier w nanoskali za pomocą nano-pH-metru z kropkami kwantowymi o dostrojonym rozmiarze;
10. Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach i in. al.. (2007). Mikroperełki fluorescencyjne kodowane nanokryształami dla proteomiki: profilowanie przeciwciał i diagnostyka chorób autoimmunologicznych. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
11. Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov i in. al.. (2010). Transfer energii rezonansowej poprawia funkcję biologiczną bakteriorodopsyny w materiale hybrydowym zbudowanym z fioletowych membran i półprzewodnikowych kropek kwantowych. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;

« Kropki kwantowe to sztuczne atomy, których właściwości można kontrolować»

Zh.I. Alferow, laureat Nagrody Nobla z 2000 r. w fizyce za rozwój heterostruktur półprzewodnikowych dla dużych prędkości i optoelektroniki

Kropki kwantowe (QD) to izolowane nanoobiekty, których właściwości znacznie różnią się od właściwości materiału sypkiego o tym samym składzie. Należy od razu zaznaczyć, że kropki kwantowe są bardziej modelem matematycznym niż rzeczywistymi obiektami. A to wynika z niemożności całkowitego uformowania izolowane struktury - małe cząsteczki zawsze wchodzą w interakcję z otoczeniem, będąc w nim płynny środek lub stała matryca.

Aby zrozumieć, czym są kropki kwantowe i ich strukturę elektronową, wyobraźmy sobie starożytny grecki amfiteatr. Teraz wyobraź sobie, że na scenie rozgrywa się ekscytujący występ, a publiczność jest wypełniona ludźmi, którzy przyszli obejrzeć grę aktorów. Okazuje się więc, że zachowanie ludzi w teatrze jest pod wieloma względami podobne do zachowania elektronów kropki kwantowej (QD). Podczas spektaklu aktorzy poruszają się po arenie, nie wchodząc w widownię, a widzowie sami obserwują akcję ze swoich miejsc i nie schodzą na scenę. Areną są wypełnione dolne poziomy kropki kwantowej, a rzędy widzów to wzbudzone poziomy elektroniczne o wyższej energii. W tym przypadku, tak jak widz może znajdować się w dowolnym rzędzie sali, tak elektron może zajmować dowolny poziom energii kropki kwantowej, ale nie może znajdować się pomiędzy nimi. Kupując bilety na spektakl w kasie, każdy starał się zająć jak najlepsze miejsca – jak najbliżej sceny. No bo kto by chciał siedzieć w ostatnim rzędzie, gdzie nawet przez lornetkę nie widać twarzy aktora! Dlatego też, gdy publiczność usiądzie przed rozpoczęciem spektaklu, wszystkie dolne rzędy sali są zapełnione, podobnie jak w stanie stacjonarnym przekładnika prądowego, który ma najniższą energię, niższe poziomy energii są całkowicie zajęte przez elektrony. Jednak podczas występu jeden z widzów może opuścić swoje miejsce, na przykład dlatego, że na scenie gra za głośno muzyka lub po prostu złapał go nieprzyjemny sąsiad i przejść do wolnego górnego rzędu. W ten sposób w kropce kwantowej elektron pod wpływem działania zewnętrznego zmuszony jest przejść na wyższy poziom energii, który nie jest zajmowany przez inne elektrony, co prowadzi do powstania stanu wzbudzonego kropki kwantowej. Prawdopodobnie zastanawiasz się, co dzieje się z pustą przestrzenią na poziomie energetycznym, w której znajdował się elektron – tzw. dziurą? Okazuje się, że poprzez oddziaływania ładunków elektron pozostaje z nim połączony i w każdej chwili może wrócić, tak jak widz, który się poruszył, może zawsze zmienić zdanie i wrócić w miejsce wskazane na bilecie. Para elektron-dziura nazywana jest „ekscytonem” od angielskiego słowa „wzbudzony”, co oznacza „wzbudzony”. Migracji pomiędzy poziomami energii QD, podobnej do wznoszenia się lub opadania jednego z widzów, towarzyszy zmiana energii elektronu, która odpowiada absorpcji lub emisji kwantu światła (fotonu), gdy elektron przechodzi odpowiednio na wyższy lub wyższy poziom. niski poziom. Opisane powyżej zachowanie elektronów w kropce kwantowej prowadzi do dyskretnego widma energii, które jest nietypowe dla makroobiektów, dla których QD są często nazywane sztucznymi atomami, w których poziomy elektronów są dyskretne.

Siła (energia) połączenia dziury z elektronem określa promień ekscytonu, który jest wartością charakterystyczną dla każdej substancji. Jeśli rozmiar cząsteczki jest mniejszy niż promień ekscytonu, wówczas ekscyton jest ograniczony w przestrzeni przez swój rozmiar, a odpowiadająca mu energia wiązania zmienia się znacząco w porównaniu z materią masową (patrz „efekt wielkości kwantowej”). Nietrudno zgadnąć, że jeśli zmieni się energia ekscytonu, to zmieni się także energia fotonu emitowanego przez układ, gdy wzbudzony elektron przemieszcza się na swoje pierwotne miejsce. W ten sposób otrzymuje się monodyspersyjne koloidalne roztwory nanocząstek różne rozmiary, energie przejścia można kontrolować w szerokim zakresie widma optycznego.

Pierwszymi kropkami kwantowymi były nanocząsteczki metali, które ponownie zsyntetyzowano Starożytny Egipt do barwienia różnych szkieł (swoją drogą rubinowe gwiazdy Kremla otrzymywano podobną technologią), choć bardziej tradycyjnymi i szerzej znanymi QD są cząstki półprzewodnikowe GaN hodowane na podłożach i koloidalnych roztworach nanokryształów CdSe. Obecnie istnieje wiele sposobów na uzyskanie kropek kwantowych, można je na przykład „wyciąć”. cienkie warstwy„heterostruktury” półprzewodnikowe przy użyciu „nanolitografii” lub mogą powstawać spontanicznie w postaci wtrąceń struktur o rozmiarach nanometrycznych materiał półprzewodnikowy jeden typ w macierzy innego. Stosując metodę „epitaksji z wiązek molekularnych”, przy znacznej różnicy parametrów komórki elementarnej podłoża i osadzanej warstwy, można uzyskać wzrost piramidalnych kropek kwantowych na podłożu, do badania właściwości który został nagrodzony akademik Zh.I nagroda Nobla. Kontrolując warunki procesów syntezy, teoretycznie możliwe jest otrzymanie kropek kwantowych o określonych rozmiarach i określonych właściwościach.

Kropki kwantowe są wciąż „młodym” obiektem badań, jednak szerokie perspektywy ich wykorzystania w projektowaniu laserów i wyświetlaczy nowej generacji są już dość oczywiste. Właściwości optyczne QD znajdują zastosowanie w najbardziej nieoczekiwanych dziedzinach nauki, które wymagają przestrajalnych właściwości luminescencyjnych materiału; np. w badaniach medycznych można za ich pomocą „oświetlić” chore tkanki. Osoby marzące o „komputerach kwantowych” postrzegają kropki kwantowe jako obiecujących kandydatów do budowy kubitów.

Literatura

N. Kobayashiego. Wprowadzenie do nanotechnologii. M.: BINOM. Laboratorium Wiedzy, 2007, 134 s.

V.Ya. Demikhovsky, G.A. Wugalter Fizyka kwantowych struktur niskowymiarowych. M.: Logos, 2000.

„Okulary profesora Pankowa” - urządzenie przenośne odbudowa kwantowa i iridorefleksoterapia. Głównym celem urządzenia jest leczenie i niezbędna profilaktyka chorób oczu, narządów wewnętrznych i układów organizmu człowieka. Stworzony przez prof. Urządzenie Pankov znajduje szerokie zastosowanie w szpitalach medycznych, przychodniach, a także samodzielnie w domu.

„Okulary Pankowa” przydadzą się osobom, których Działalność zawodowa nierozerwalnie związane z dużym obciążeniem narządu wzroku (pracownicy biurowi, badacze, menedżerowie, programiści, nauczyciele, pisarze, kierowcy wszystkich rodzajów transportu itp.).

Dane techniczne

Urządzenie ma postać oprawy okularowej, w której zamontowane są emitery LED, sterowane za pomocą wbudowanych sterowników mikroprocesorowych. Zasilanie urządzenia połączone jest z emiterami LED. Liczba emiterów - 2 sztuki. Długości fal promieniowania wynoszą 450, 530 i 650 nm. Promieniowanie wychodzące ma tryb pracy impulsowo-okresowy. Zasilanie zapewniają 4 baterie guzikowe (AG-13). Pobór mocy - do 0,1 W. Urządzenie jest lekkie – waży około 200 gramów.

Urządzenie „Okulary Profesora Pankowa” dostarczane jest w następującym zestawie:

• Aparat do okularów Pankowa.
• Karta danych technicznych, instrukcja obsługi.
• Pudełko do pakowania.

Zasada działania

Ekspozycja na impulsy świetlne na oczach powoduje odruchowe zwężanie i rozszerzanie źrenic, zapewniając wyjątkowy efekt leczniczy. Dzięki niemu łagodzone są skurcze, a z biegiem czasu wzrasta siła mięśnia akomodacyjnego. Rytmiczne skurcze mięśni oka pod wpływem urządzenia aktywują drenaż limfatyczny, zwiększając krążenie krwi w narządzie wzroku, poprawiając mikrokrążenie w tkankach oka, w tym w siatkówce, co sprawia, że ​​ich odżywienie jest kompletne i prawidłowe. Ponadto ekspozycja na światło aktywuje proces przekazywania sygnałów nerwowych i ich percepcję wzrokową.

Działanie urządzenia zmienia średnicę źrenicy, a jednocześnie zmienia położenie tęczówki, co skutkuje poprawą ruchu płynu wewnątrzgałkowego wzdłuż dróg wypływu. Ciecz dostaje się do komory przedniej wzbogacona, nasycając ją składniki odżywcze. Poprawia to odżywienie przedniego odcinka oka (rogówka, tęczówka, soczewka), co sprawia, że ​​„Okulary Pankowa” są praktycznie niezastąpione przy patologiach tych struktur narządu wzroku.

Wskazania

• początkowe stopnie zaćmy;
• dystrofia siatkówki;
• jaskra;
• niedowidzenie, ;
• krótkowzroczność (postępująca);
• wiek;
• zanik nerwu wzrokowego;
• syndrom komputerowy;
• okres po operacjach okulistycznych.

Tryb aplikacji

Sesje z urządzeniem należy wykonywać w pozycji leżącej lub siedzącej. Zanim zaczniesz, wykonaj proste ćwiczenie oddechowe (głębokie wdechy i wydechy).

Nie należy przeprowadzać sesji podczas oglądania telewizji lub tuż przed snem. Nie zaleca się używania urządzenia w stanie podrażnienia lub wzmożonej nerwowości.

Czas sesji ekspozycji kwantowej wynosi piętnaście minut dziennie.

Pierwszą sesję należy rozpocząć z zamkniętymi oczami (jak każda kolejna) i trwać do trzech minut, co jest konieczne, aby intensywność efektu stopniowo wzrastała. Każda kolejna sesja wydłużana jest o 3 minuty. Maksymalny możliwy czas ekspozycji wynosi 15 minut. Przebieg leczenia obejmuje 15 sesji. Można go powtórzyć nie wcześniej niż miesiąc później.

W przypadku zespołu zmęczenia oczu sesje należy wykonywać w miarę potrzeb przez trzy minuty (codziennie) przed rozpoczęciem pracy powodującej zmęczenie oczu, a także po niej.

Efekt stosowania urządzenia będzie znacznie lepszy, jeśli zastosujesz „Szkła Pankowa” jednocześnie z witaminami na oczy w kapsułkach (Lutein Complex lub Anthocyan Forte), a także kroplami witaminowymi (Taufon, Quinax itp.).

Nie zaleca się przerywania sesji na dłużej niż trzy dni.

Przeciwwskazania do stosowania okularów

• zapalenie oczu w ostrej fazie;
• Siatkówka oka;
• ciąża;
• nowotwory mózgu i oczu;
• okres po przeszczepieniu;
• wiek do trzech lat;
• przewlekłe zaburzenia psychiczne;
• nieskompensowane cukrzyca;
• niedociśnienie;
• udar mózgu.

Cena urządzenia, gdzie kupić

Każda substancja o mikroskopijnych rozmiarach to nanocząstka, materiał używany przez badaczy nanotechnologii do projektowania i tworzenia nowych technologii opartych na wykorzystaniu pierwiastków w tej maleńkiej postaci. Czytamy uważnie, bo będziemy musieli trochę zagłębić się w istotę tekstu.

Kropki kwantowe to nanocząstki wykonane z dowolnego materiału półprzewodnikowego, takiego jak krzem, selenek kadmu, siarczek kadmu lub arsenek indu, które świecą określonym kolorem pod wpływem światła.

Kolor, jaki świecą, zależy od wielkości nanocząstki. Umieszczając kwanty różne rozmiary Możliwe jest osiągnięcie obecności czerwieni, zieleni i błękitu w każdym pikselu ekranu wyświetlacza, co pozwala na stworzenie w tych pikselach pełnego spektrum barw (dowolny istniejący kolor powstaje poprzez zmieszanie tych kolorów).

Kiedy kropki kwantowe są oświetlone światłem UV, część elektronów zyskuje wystarczającą energię, aby uwolnić się od atomów. Zdolność ta pozwala im poruszać się po nanocząstce, tworząc strefę przewodzenia, w której elektrony mogą swobodnie poruszać się po materiale i przewodzić prąd.

Kiedy elektrony schodzą na zewnętrzną orbitę wokół atomu (pasmo walencyjne), emitują światło. Barwa tego światła zależy od różnicy energii pomiędzy pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym.

Im mniejsza nanocząstka, tym większa różnica energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa, co skutkuje głębszym niebieskim kolorem. W przypadku większych nanocząstek różnica energii między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa jest mniejsza, co przesuwa emisję w stronę czerwieni.

Kropki kwantowe i wyświetlacze

W przypadku wyświetlaczy LCD korzyści są liczne. Spójrzmy na najważniejsze i ciekawe funkcje, które otrzymały ekrany LCD z kropek kwantowych.

Wyższa jasność szczytowa

Jednym z powodów, dla których producenci są tak podekscytowani kropkami kwantowymi, jest możliwość tworzenia ekranów o znacznie wyższej jasności szczytowej niż w przypadku innych technologii. Z kolei zwiększona jasność szczytowa daje wiele świetne możliwości korzystać z HDR i Dolby Vision.

Dolby Vision to standard wideo charakteryzujący się wysokim zakresem dynamiki, czyli bardzo dużą różnicą oświetlenia pomiędzy najjaśniejszym i najciemniejszym punktem ekranu, co sprawia, że ​​obraz jest bardziej realistyczny i kontrastowy.

Jeśli nie wiecie, twórcy nieustannie próbują wcielić się w Pana Boga i stworzyć to, co On stworzył (lub kto stworzył to wszystko wokół nas, może wszechświat?), tylko po to, by przenieść to na ekran.

Czyli np. normalne niebo w pogodny dzień ma jasność około 20 000 nitów (jednostka jasności), podczas gdy najlepsze telewizory może zapewnić jasność o około 10 mniej. Zatem standard Dolby Vision wciąż wyprzedza resztę, ale wciąż jest im bardzo daleko od Stwórcy :)

W związku z tym ekrany z kropkami kwantowymi to kolejny krok w kierunku jaśniejszego obrazu. Być może kiedyś będziemy mogli zobaczyć niemal prawdziwy wschód i/lub zachód słońca, a może inne wyjątkowe cuda natury, nie wychodząc z domu.

Najlepsze odwzorowanie kolorów

Kolejną dużą zaletą kropek kwantowych jest lepsza dokładność kolorów. Ponieważ każdy piksel zawiera współczynniki CT koloru czerwonego, niebieskiego i zielonego, daje to dostęp do pełnej palety kolorów, co z kolei pozwala uzyskać niesamowitą liczbę odcieni dowolnego koloru.

Poprawiona żywotność baterii urządzeń mobilnych

Ekrany z kropkami kwantowymi zapewniają nie tylko doskonałą jakość obrazu, ale także wyjątkowo niskie zużycie energii.

Kropki kwantowe i Samsung QLED

Telewizory oparte na kropkach kwantowych od Samsunga, lub po prostu, tak naprawdę nie są w całości oparte na kropkach kwantowych w prawidłowym rozumieniu tej technologii. QLED to bardziej hybryda, coś pomiędzy kropkami kwantowymi a ekranami LED. Dlaczego? Ponieważ te telewizory nadal korzystają z podświetlenia LED, a w przypadku ekranów z prawdziwymi kropkami kwantowymi światło musi być tworzone przez kropki.

Dlatego nawet jeśli nowe telewizory południowokoreańskiego giganta pokazują lepiej niż konwencjonalne ekrany LED, to nadal nie są to telewizory z kropkami kwantowymi, a telewizory z kropkami kwantowymi zamiast filtra światła.

Uwagi:

14 czerwca 2018 r

Kropka kwantowa to fragment przewodnika lub półprzewodnika, którego nośniki ładunku (elektrony lub dziury) są ograniczone przestrzennie we wszystkich trzech wymiarach. Rozmiar kropki kwantowej musi być tak mały, aby efekty kwantowe były znaczące. Osiąga się to, jeśli energia kinetyczna elektron jest zauważalnie większy niż wszystkie inne skale energetyczne: przede wszystkim większy niż temperatura wyrażona w jednostkach energii. Kropki kwantowe zostały po raz pierwszy zsyntetyzowane na początku lat 80. XX wieku przez Aleksieja Ekimowa w szklanej matrycy i Louisa E. Brousa w roztworach koloidalnych.

Termin „kropka kwantowa” został ukuty przez Marka Reeda.

Widmo energii kropki kwantowej jest dyskretne, a odległość pomiędzy stacjonarnymi poziomami energii nośnika ładunku zależy od wielkości samej kropki kwantowej jako - ħ/(2md^2), gdzie:
ħ – zredukowana stała Plancka;
d jest charakterystyczną wielkością punktu;
m jest efektywną masą elektronu w punkcie

W uproszczeniu kropka kwantowa to półprzewodnik, którego właściwości elektryczne zależą od jej rozmiaru i kształtu.
Na przykład, gdy elektron przechodzi na niższy poziom energii, emitowany jest foton; Ponieważ można regulować wielkość kropki kwantowej, można także zmieniać energię emitowanego fotonu, a co za tym idzie zmieniać kolor światła emitowanego przez kropkę kwantową.

Rodzaje kropek kwantowych
Istnieją dwa typy:
epitaksjalne kropki kwantowe;
koloidalne kropki kwantowe.

W rzeczywistości ich nazwy pochodzą od metod stosowanych do ich uzyskania. Nie będę o nich szczegółowo mówić ze względu na duża ilość terminy chemiczne. Dodam tylko, że stosując syntezę koloidalną możliwe jest otrzymanie nanokryształów pokrytych warstwą zaadsorbowanych cząsteczek surfaktantu. Dzięki temu są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, a po modyfikacji także w rozpuszczalnikach polarnych.

Projekt kropki kwantowej
Zazwyczaj kropka kwantowa jest kryształem półprzewodnikowym, w którym realizowane są efekty kwantowe. Elektron w takim krysztale sprawia wrażenie, jakby znajdował się w trójwymiarowej studni potencjału i ma wiele stacjonarnych poziomów energii. Odpowiednio, przechodząc z jednego poziomu na drugi, kropka kwantowa może emitować foton. Dzięki temu przejścia są łatwe do kontrolowania poprzez zmianę wymiarów kryształu. Możliwe jest także przeniesienie elektronu na wyższy poziom energetyczny i otrzymanie promieniowania z przejścia pomiędzy niżej położonymi poziomami, w efekcie czego uzyskujemy luminescencję. Właściwie to właśnie obserwacja tego zjawiska posłużyła jako pierwsza obserwacja kropek kwantowych.

Teraz o wyświetlaczach
Historia pełnoprawnych wyświetlaczy rozpoczęła się w lutym 2011 roku, kiedy firma Samsung Electronics zaprezentowała opracowanie pełnokolorowego wyświetlacza opartego na kropkach kwantowych QLED. Był to 4-calowy wyświetlacz sterowany aktywną matrycą, tj. Każdy kolorowy piksel z kropką kwantową można włączać i wyłączać za pomocą tranzystora cienkowarstwowego.

Aby stworzyć prototyp, na płytkę krzemową nakłada się warstwę roztworu kropek kwantowych i spryskuje rozpuszczalnikiem. Następnie w warstwę kropek kwantowych wciska się pieczątkę z powierzchnią grzebieniową, oddziela i odciska na szkle lub elastycznym plastiku. W ten sposób na podłoże nakładane są paski kropek kwantowych. W wyświetlaczach kolorowych każdy piksel zawiera czerwony, zielony lub niebieski subpiksel. W związku z tym kolory te stosuje się z różną intensywnością, aby uzyskać jak najwięcej odcieni.

Kolejnym krokiem w rozwoju była publikacja artykułu naukowców z Indyjskiego Instytutu Naukowego w Bangalore. Gdzie opisano kropki kwantowe, które nie tylko luminescencji? Pomarańczowy, ale także w zakresie od ciemnozielonego do czerwonego.

Dlaczego LCD jest gorszy?
Główna różnica między wyświetlaczem QLED a wyświetlaczem LCD polega na tym, że ten ostatni może pokryć tylko 20-30% zakresu kolorów. Również w telewizorach QLED nie ma potrzeby stosowania warstwy z filtrami światła, ponieważ kryształy po przyłożeniu do nich napięcia zawsze emitują światło o wyraźnie określonej długości fali i w efekcie o tej samej wartości barwy.

Wyświetlacze ciekłokrystaliczne składają się z 5 warstw: źródłem jest białe światło, emitowany przez diody LED, który przechodzi przez kilka filtrów polaryzacyjnych. Filtry umieszczone z przodu i z tyłu wraz z ciekłymi kryształami kontrolują przepływający strumień światła, zmniejszając lub zwiększając jego jasność. Dzieje się tak dzięki tranzystorom pikselowym, które wpływają na ilość światła przechodzącego przez filtry (czerwony, zielony, niebieski).

Wygenerowany kolor tych trzech subpikseli, na który nałożone są filtry, nadaje określoną wartość koloru piksela. Mieszanie kolorów odbywa się dość płynnie, jednak uzyskanie w ten sposób czystej czerwieni, zieleni czy błękitu jest po prostu niemożliwe. Przeszkodą są filtry, które przepuszczają nie tylko jedną falę o określonej długości, ale całą serię fal o różnych długościach. Na przykład pomarańczowe światło przechodzi również przez czerwony filtr.

Warto zaznaczyć, że zakres zastosowania kropek kwantowych nie ogranicza się tylko do monitorów LED, w których można je między innymi zastosować tranzystory polowe, fotokomórki, diody laserowe, bada się także możliwość ich wykorzystania w medycynie i informatyce kwantowej.

Dioda LED emituje światło po przyłożeniu do niej napięcia. Dzięki temu elektrony (e) są przenoszone z materiału typu N do materiału typu P. Materiał typu N zawiera atomy z nadmierną liczbą elektronów. Materiał typu P zawiera atomy pozbawione elektronów. Kiedy nadmiar elektronów dotrze do tego ostatniego, uwalniają energię w postaci światła. W konwencjonalnym krysztale półprzewodnikowym jest to zazwyczaj białe światło wytwarzane przez wiele różnych długości fal. Dzieje się tak dlatego, że elektrony mogą znajdować się na różnych poziomach energii. W rezultacie powstałe fotony (P) mają różne energie, co skutkuje różnymi długościami fal promieniowania.

Stabilizacja światła za pomocą kropek kwantowych
Telewizory QLED jako źródło światła wykorzystują kropki kwantowe – są to kryształy o wielkości zaledwie kilku nanometrów. W tym przypadku nie ma potrzeby stosowania warstwy z filtrami świetlnymi, ponieważ po przyłożeniu do nich napięcia kryształy zawsze emitują światło o wyraźnie określonej długości fali, a co za tym idzie i wartości koloru. Efekt ten osiąga się dzięki maleńkim rozmiarom kropki kwantowej, w której elektron, podobnie jak w atomie, może poruszać się jedynie w ograniczonej przestrzeni. Podobnie jak w atomie, elektron kropki kwantowej może zajmować jedynie ściśle określone poziomy energii. Ponieważ te poziomy energii zależą również od materiału, możliwe staje się specyficzne dostrojenie właściwości optycznych kropek kwantowych. Na przykład, aby uzyskać czerwony kolor, stosuje się kryształy ze stopu kadmu, cynku i selenu (CdZnSe), których wielkość wynosi około 10-12 nm. Stop kadmu i selenu odpowiedni do kolorów żółtych, zielonych i niebieskie kolory, ten ostatni można również otrzymać stosując nanokryształy ze związku cynku i siarki o wielkości 2-3 nm.

Masowa produkcja niebieskich kryształów jest bardzo trudna i kosztowna, dlatego telewizor wprowadzony przez Sony w 2013 roku nie jest „rasowym” telewizorem QLED opartym na kropkach kwantowych. Z tyłu wytwarzanych przez nie wyświetlaczy znajduje się warstwa niebieskich diod LED, których światło przechodzi przez warstwę czerwonych i zielonych nanokryształów. Dzięki temu w zasadzie zastępują powszechnie stosowane obecnie filtry świetlne. Dzięki temu gama kolorów zwiększa się o 50% w porównaniu do konwencjonalnych telewizorów LCD, ale nie osiąga poziomu „czystego” ekranu QLED. Te ostatnie, oprócz szerszej gamy kolorów, mają jeszcze jedną zaletę: oszczędzają energię, ponieważ nie ma potrzeby stosowania warstwy z filtrami świetlnymi. Dzięki temu przednia część ekranu w telewizorach QLED również otrzymuje więcej światła niż w telewizorze zwykłe telewizory, które przepuszczają tylko około 5% strumienia świetlnego.

Naukowcy opracowali teorię powstawania szeroko rozpowszechnionej klasy kropek kwantowych, które otrzymuje się ze związków zawierających kadm i selen. Przez 30 lat rozwój w tej dziedzinie opierał się w dużej mierze na próbach i błędach. Artykuł ukazał się w czasopiśmie Nature Communications.

Kropki kwantowe to krystaliczne półprzewodniki wielkości nano o niezwykłych właściwościach optycznych i elektronicznych, które znalazły już zastosowanie w wielu dziedzinach badań i technologii. Mają właściwości pośrednie między półprzewodnikami masowymi a pojedynczymi cząsteczkami. Jednakże w procesie syntezy tych nanocząstek pozostają niejasne aspekty, ponieważ naukowcom nie udało się w pełni zrozumieć interakcji odczynników, z których niektóre są wysoce toksyczne.

Todd Krauss i Lee Frenette z Uniwersytetu w Rochester chcą to zmienić. W szczególności odkryli, że podczas reakcji syntezy pojawiają się toksyczne związki, które już 30 lat temu wykorzystano do otrzymania pierwszych kropek kwantowych. „Dzięki naszemu odkryciu zasadniczo cofnęliśmy się do przyszłości” – wyjaśnia Krauss. „Okazało się, że obecnie stosowane bezpieczniejsze odczynniki zamieniają się w dokładnie te same substancje, których stosowania starano się unikać od dziesięcioleci. Te z kolei reagują, tworząc kropki kwantowe.

Po pierwsze, ograniczy domysły związane z produkcją kropek kwantowych na bazie kadmu lub selenu, co doprowadziło do niespójności i niepowtarzalności, które utrudniają poszukiwanie zastosowań przemysłowych.
Po drugie, ostrzeże badaczy i firmy zajmujące się syntezą kropek kwantowych na dużą skalę, że nadal mają do czynienia z takimi niebezpieczne substancje, jak selenowodór i kompleksy alkilowo-kadmowe, choć nie bezpośrednio.
Po trzecie, wyjaśni właściwości chemiczne fosfin stosowanych w wielu procesach syntezy kropek kwantowych w wysokiej temperaturze.

Źródła: