Nano-alifbo: kvant nuqtalari. Kvant nuqtalari - tibbiyot va biologiya uchun nano o'lchamli sensorlar
Shuningdek o'qing
Qabul qilish uchun umumiy fikr moddiy ob'ektlarning xususiyatlari va barchaga tanish bo'lgan makrokosmos "yashaydigan" qonunlar to'g'risida, oliy ma'lumotni tugatish mutlaqo shart emas. o'quv muassasasi, chunki har kuni har bir kishi o'z namoyonlariga duch keladi. Garchi yaqinda o'xshashlik printsipi tobora ko'proq tilga olinsa-da, uning tarafdorlari mikro va makro dunyolar juda o'xshashligini ta'kidlamoqdalar, shunga qaramay, hali ham farq mavjud. Bu, ayniqsa, jismlar va narsalarning juda kichik o'lchamlari bilan seziladi. Kvant nuqtalari, ba'zan nanodotlar deb ataladi, bu holatlardan biri.
Kamroq kamroq
Keling, atomning klassik tuzilishini, masalan, vodorodni eslaylik. U yadroni o'z ichiga oladi, unda musbat zaryadlangan proton mavjudligi sababli ortiqcha, ya'ni +1 (chunki vodorod davriy jadvaldagi birinchi element) mavjud. Shunga ko'ra, yadrodan ma'lum masofada elektron qobiq hosil qiluvchi elektron (-1) mavjud. Shubhasiz, agar siz qiymatni oshirsangiz, bu yangi elektronlarning qo'shilishiga olib keladi (esda tuting: umuman olganda, atom elektr neytraldir).
Har bir elektron va yadro orasidagi masofa manfiy zaryadlangan zarrachalarning energiya darajalari bilan belgilanadi. Har bir orbita doimiy, zarrachalarning umumiy konfiguratsiyasi materialni aniqlaydi. Elektronlar bir orbitadan ikkinchisiga sakrab, u yoki bu chastotadagi fotonlar orqali energiyani yutishi yoki chiqarishi mumkin. Eng uzoq orbitalarda maksimal energiya darajasiga ega elektronlar mavjud. Qizig'i shundaki, fotonning o'zi bir vaqtning o'zida massasiz zarracha va elektromagnit nurlanish sifatida aniqlangan ikki tomonlama tabiatni namoyon qiladi.
"Foton" so'zining o'zi yunoncha bo'lib, "yorug'lik zarrasi" degan ma'noni anglatadi. Shuning uchun, elektron o'z orbitasini o'zgartirganda, u yorug'lik kvantini yutadi (chiqaradi) deb bahslashish mumkin. IN Ushbu holatda Boshqa so'zning ma'nosini tushuntirish o'rinlidir - "kvant". Aslida, hech qanday murakkab narsa yo'q. Bu so'z lotincha "kvant" dan kelib chiqqan bo'lib, so'zma-so'z har qanday jismoniy miqdorning eng kichik qiymati (bu erda radiatsiya) deb tarjima qilinadi. Keling, misol bilan kvant nima ekanligini tushuntirib beraylik: agar og'irlikni o'lchashda eng kichik bo'linmas miqdor milligramm bo'lsa, uni shunday deb atash mumkin. Ko'rinishidan murakkab bo'lgan atama shunday tushuntiriladi.
Kvant nuqtalari tushuntirildi
Ko'pincha darsliklarda nanodot uchun quyidagi ta'rifni topishingiz mumkin - bu har qanday materialning juda kichik zarrasi bo'lib, uning o'lchamlari elektronning chiqarilgan to'lqin uzunligi bilan taqqoslanadi (to'liq spektr 1 dan 10 nanometrgacha bo'lgan chegarani qamrab oladi). Uning ichida bitta manfiy zaryad tashuvchining qiymati tashqaridan kamroq, shuning uchun elektron uning harakatlarida cheklangan.
Biroq, "kvant nuqtalari" atamasini boshqacha tushuntirish mumkin. Fotonni yutgan elektron yuqori energiya darajasiga "ko'tariladi" va uning o'rnida "etishmovchilik" hosil bo'ladi - teshik deb ataladigan narsa. Shunga ko'ra, agar elektron -1 zaryadga ega bo'lsa, u holda teshik +1 zaryadga ega. Avvalgi barqaror holatga qaytishga urinib, elektron foton chiqaradi. Bu holda "-" va "+" zaryad tashuvchilarning ulanishi eksiton deb ataladi va fizikada zarracha sifatida tushuniladi. Uning kattaligi so'rilgan energiya darajasiga bog'liq (yuqori orbita). Kvant nuqtalari aynan shu zarralardir. Elektron tomonidan chiqariladigan energiya chastotasi to'g'ridan-to'g'ri ma'lum materialning zarracha hajmiga va qo'zg'atuvchiga bog'liq. Shunisi e'tiborga loyiqki, inson ko'zining yorug'lik rangini idrok etishi har xillikka asoslanadi
LED, LCD, OLED, 4K, UHD... televideniye sanoatiga hozir kerak bo'lgan oxirgi narsa bu boshqa narsaga o'xshaydi. texnik qisqartma. Ammo taraqqiyotni to'xtatib bo'lmaydi, yana bir nechta harflar bilan tanishing - QD (yoki Kvant nuqta). Darhol ta'kidlashim kerakki, fizikada "kvant nuqtalari" atamasi televizorlar uchun talab qilinganidan ko'ra kengroq ma'noga ega. Lekin nanofizik hamma narsa uchun joriy moda nurida, marketologlar yirik korporatsiyalar mamnuniyat bilan bu qiyin ilmiy tushunchani qo'llashni boshladi. Shunday qilib, men bu qanday kvant nuqtalari ekanligini va nima uchun hamma QD televizorini sotib olishni xohlashini aniqlashga qaror qildim.
Birinchidan, soddalashtirilgan shakldagi ba'zi fanlar. "Kvant nuqtasi" - bu elektr xususiyatlari uning o'lchami va shakliga bog'liq bo'lgan yarim o'tkazgichdir (wiki). U shunchalik kichik bo'lishi kerakki, kvant o'lchami effektlari aniq bo'ladi. Va bu ta'sirlar aynan shu nuqtaning o'lchami bilan tartibga solinadi, ya'ni. Chiqarilgan energiya, masalan, foton - aslida rang - "o'lchamlarga" bog'liq, agar bu so'z bunday kichik narsalarga tegishli bo'lsa.
CES 2015 ko'rgazmasida birinchi marta namoyish etiladigan LG kompaniyasining Quantum-Dot televizori Bundan ham ko'proq iste'molchi tilida, bu kichik zarralar bo'lib, ular yoritilsa, ma'lum bir spektrda porlashni boshlaydi. Agar ular yupqa plyonkaga qo'llanilsa va "ishqalansa", keyin yoritilgan bo'lsa, plyonka yorqin lyuminestsatsiya qila boshlaydi. Texnologiyaning mohiyati shundaki, bu nuqtalarning o'lchamini nazorat qilish oson, bu aniq rangga erishishni anglatadi.
QD Vision ma'lumotlariga ko'ra, QD televizorlarining rangli gamuti an'anaviy televizornikidan 1,3 baravar yuqori va NTSC-ni to'liq qamrab oladi. Aslida, yirik korporatsiyalar qanday nom tanlashi muhim emas, asosiysi u iste'molchiga nima berishi kerak. Va bu erda va'da juda oddiy - yaxshilangan rang berish. "Kvant nuqtalari" buni qanday ta'minlashini yaxshiroq tushunish uchun siz LCD displeyning dizaynini eslab qolishingiz kerak.
Kristal ostida yorug'lik
LCD televizor (LCD) uchta asosiy qismdan iborat: oq yorug'lik, rangli filtrlar (yorug'likni qizil, ko'k va rangga ajratuvchi). yashil ranglar) va suyuq kristall matritsa. Ikkinchisi mayda oynalar - piksellar panjarasiga o'xshaydi, ular o'z navbatida uchta subpikseldan (hujayralardan) iborat. Suyuq kristallar, pardalar kabi, yorug'lik oqimini to'sib qo'yishi mumkin yoki aksincha, oraliq holatlar ham mavjud.
PlasmaChem GmbH kompaniyasi kilogrammdagi "kvant nuqtalarini" ishlab chiqaradi va ularni flakonlarga qadoqlaydi. Qachon Oq nur, yorug'lik chiqaradigan diodlar tomonidan chiqariladi (LED, bugungi kunda televizorni topish qiyin. lyuminestsent lampalar, bir necha yil oldin bo'lgani kabi), masalan, yashil va qizil hujayralar yopilgan piksel orqali o'tadi, keyin biz ko'kni ko'ramiz. Har bir RGB pikselining "ishtirok etish" darajasi o'zgaradi va shu bilan rangli tasvir olinadi.
Nanosys ma'lumotlariga ko'ra, kvant nuqtalarining o'lchami va ular yorug'lik chiqaradigan spektr Siz tushunganingizdek, tasvirning rang sifatini ta'minlash uchun kamida ikkita narsa talab qilinadi: aniq filtr ranglari va to'g'ri oq orqa yorug'lik, yaxshisi keng spektrli. Aynan ikkinchisi bilan LEDlarda muammo bor.
Birinchidan, ular aslida oq emas, qo'shimcha ravishda ular juda tor rang spektriga ega. Ya'ni, spektr keng oq qo'shimcha qoplamalar orqali erishiladi - bir nechta texnologiyalar mavjud, ko'pincha sariq qo'shilgan fosforli diodlar ishlatiladi. Ammo bu "kvazi-oq" rang hali ham idealga to'g'ri kelmaydi. Agar siz uni prizmadan o'tkazsangiz (masalan, maktabdagi fizika darsida bo'lgani kabi), u kamalakning barcha ranglariga ajralmaydi, xuddi shunga o'xshash intensivlikdagi kamalak. quyosh nuri. Masalan, qizil rang yashil va ko'k rangga qaraganda ancha xiraroq ko'rinadi.
An'anaviy LED yoritgichlar spektri shunday ko'rinadi. Ko'rib turganingizdek, ko'k ohang ancha qizg'in, yashil va qizil esa suyuq kristall filtrlar bilan notekis qoplangan (grafikdagi chiziqlar) Muhandislar, tushunarli, vaziyatni tuzatishga va vaqtinchalik echimlarni topishga harakat qilmoqdalar. Misol uchun, siz televizor sozlamalarida yashil va ko'k darajalarni kamaytirishingiz mumkin, ammo bu umumiy yorqinlikka ta'sir qiladi - rasm oqarib ketadi. Shunday qilib, barcha ishlab chiqaruvchilar oq yorug'lik manbasini izlashdi, uning parchalanishi bir xil to'yinganlikdagi ranglar bilan bir xil spektr hosil qiladi. Bu erda kvant nuqtalari yordamga keladi.
Kvant nuqtalari
Eslatib o'taman, agar biz televizorlar haqida gapiradigan bo'lsak, u holda "kvant nuqtalari" yorug'lik ularga tushganda lyuminestsatsiya qiluvchi mikroskopik kristallardir. Ular ko'p jihatdan "yoqish" mumkin turli xil ranglar, barchasi nuqta o'lchamiga bog'liq. Va endi olimlar atomlar sonini o'zgartirish orqali ularning o'lchamlarini deyarli mukammal boshqarishni o'rganganliklarini hisobga olsak, sizga kerakli rangdagi porlashni olish mumkin. Kvant nuqtalari ham juda barqaror - ular o'zgarmaydi, ya'ni qizilning ma'lum bir soyasida lyuminestsatsiya qilish uchun mo'ljallangan nuqta bu soyani deyarli abadiy saqlab qoladi.
QD plyonkasi yordamida LED yoritgichining spektri shunday ko'rinadi (QD Vision ma'lumotlariga ko'ra) Muhandislar texnologiyadan quyidagi tarzda foydalanish g'oyasini o'ylab topdilar: qizil va yashil ranglarning ma'lum bir soyasi bilan porlash uchun yaratilgan yupqa plyonkaga "kvant nuqta" qoplamasi qo'llaniladi. Va LED oddiy ko'k rangda. Va keyin kimdir darhol taxmin qiladi: "hamma narsa aniq - ko'k manba bor va nuqtalar yashil va qizil rangni beradi, ya'ni biz bir xil RGB modelini olamiz!" Ammo yo'q, texnologiya boshqacha ishlaydi.
Shuni esda tutish kerakki, "kvant nuqtalari" bitta joyda joylashgan katta varaq va ular subpiksellarga bo'linmaydi, balki oddiygina aralashtiriladi. Ko'k diod plyonkada porlaganda, nuqtalar yuqorida aytib o'tilganidek, qizil va yashil rangni chiqaradi va faqat bu uchta rang aralashganida ular ideal oq yorug'lik manbasini yaratadilar. Va shuni eslatib o'tamanki, matritsaning orqasidagi yuqori sifatli oq yorug'lik, aslida, boshqa tomondan tomoshabinning ko'zlari uchun tabiiy rangni ko'rsatishga teng. Hech bo'lmaganda, chunki spektrning yo'qolishi yoki buzilishi uchun tuzatishlar kiritishingiz shart emas.
Bu hali ham LCD televizor
Keng rangli gamut, ayniqsa, yangi 4K televizorlari va 4:4:4 rangli subsampling uchun foydali bo'ladi, bu bizni kelajakdagi standartlarda kutmoqda. Hammasi yaxshi va yaxshi, lekin esda tutingki, kvant nuqtalari LCD televizorlar bilan bog'liq boshqa muammolarni hal qilmaydi. Masalan, mukammal qora rangga ega bo'lish deyarli mumkin emas, chunki suyuq kristallar (yuqorida men yozgan bir xil "pardalar") yorug'likni butunlay to'sib qo'yishga qodir emas. Ular faqat "o'zlarini qoplashlari" mumkin, lekin to'liq yopilmaydi.
Kvant nuqtalari ranglarni ko'paytirishni yaxshilash uchun mo'ljallangan va bu rasmning taassurotini sezilarli darajada yaxshilaydi. Ammo bu piksellar yorug'lik oqimini butunlay to'xtatishga qodir bo'lgan OLED texnologiyasi yoki plazma emas. Shunga qaramasdan plazma televizorlari nafaqaga chiqqan va OLED-lar ko'pchilik iste'molchilar uchun hali ham juda qimmat, shuning uchun ishlab chiqaruvchilar bizga tez orada nimani taklif qilishlarini bilish yaxshi. yangi tur Yaxshiroq ko'rsatadigan LED televizorlari.
“Kvant televizori” qancha turadi?
Sony, Samsung va LG’ning birinchi QD televizorlari yanvar oyida CES 2015 ko‘rgazmasida namoyish etilishi va’da qilingan. Biroq, Xitoyning TLC Multimedia egri chiziqdan oldinda, ular allaqachon 4K QD televizorini chiqargan va u Xitoydagi do'konlarga kirib borishini aytishgan.
TCL dan 55 dyuymli QD televizor, IFA 2014 da namoyish etilgan Yoniq bu daqiqa bilan televizorlarning aniq narxini nomlang yangi texnologiya mumkin emas, biz rasmiy bayonotlarni kutamiz. Ular QD-larning narxi shunga o'xshash funksionallikka ega OLED-larga qaraganda uch baravar arzon bo'lishini yozishdi. Bundan tashqari, texnologiya, olimlar aytganidek, juda arzon. Shunga asoslanib, biz Quantum Dot modellari keng tarqalgan bo'lib, oddiy modellarni almashtirishiga umid qilishimiz mumkin. Biroq, menimcha, narxlar birinchi navbatda oshadi. Odatda, barcha yangi texnologiyalarda bo'lgani kabi.
Xayrli kun, Xabrajiteliki! O'ylaymanki, ko'pchilik kvant nuqta texnologiyasiga asoslangan displeylar haqidagi reklamalar, ya'ni QD - LED (QLED) displeylar, hozirgi paytda bu shunchaki marketing bo'lishiga qaramay, tez-tez paydo bo'la boshlaganini payqashdi. LED TV va Retina kabi, bu yaratish texnologiyasidir LCD displeylar, orqa yorug'lik sifatida kvant nuqtalariga asoslangan LEDlardan foydalanish.
Sizning kamtar xizmatkoringiz kvant nuqtalari nima ekanligini va ular nima bilan ishlatilishini aniqlashga qaror qildi.
Tanitish o'rniga
Kvant nuqta- zaryad tashuvchilari (elektronlar yoki teshiklar) har uch o'lchamda kosmosda cheklangan o'tkazgich yoki yarim o'tkazgichning bo'lagi. Kvant nuqtasining o'lchami shunchalik kichik bo'lishi kerak kvant effektlari ahamiyatli edi. Agar elektronning kinetik energiyasi boshqa barcha energiya shkalalaridan sezilarli darajada katta bo'lsa, bunga erishiladi: birinchi navbatda ko'proq harorat, energiya birliklarida ifodalangan. Kvant nuqtalari birinchi marta 1980-yillarning boshida Aleksey Ekimov tomonidan shisha matritsada va Lui E. Brous tomonidan kolloid eritmalarda sintez qilingan. “Kvant nuqta” atamasi Mark Rid tomonidan kiritilgan.Kvant nuqtasining energiya spektri diskret bo'lib, zaryad tashuvchining statsionar energiya darajalari orasidagi masofa kvant nuqtasining o'lchamiga bog'liq - h/(2md^2), bu erda:
- h - qisqartirilgan Plank doimiysi;
- d - nuqtaning xarakterli kattaligi;
- m - elektronning nuqtadagi samarali massasi
Masalan, elektron pastroq energiya darajasiga o'tganda, foton chiqariladi; Kvant nuqtasi hajmini sozlashingiz mumkin bo'lganligi sababli, siz chiqarilgan fotonning energiyasini ham o'zgartirishingiz mumkin va shuning uchun kvant nuqtasi chiqaradigan yorug'lik rangini o'zgartirishingiz mumkin.
Kvant nuqtalarining turlari
Ikkita tur mavjud:- epitaksial kvant nuqtalari;
- kolloid kvant nuqtalari.
Kvant nuqta dizayni
Odatda, kvant nuqtasi kvant effektlari amalga oshiriladigan yarim o'tkazgich kristalidir. Bunday kristalldagi elektron o'zini uch o'lchamli potentsial quduqda his qiladi va ko'plab statsionar energiya darajalariga ega. Shunga ko'ra, bir darajadan ikkinchisiga o'tishda kvant nuqtasi foton chiqarishi mumkin. Bularning barchasi bilan kristalning o'lchamlarini o'zgartirish orqali o'tishlarni boshqarish oson. Bundan tashqari, elektronni yuqori energiya darajasiga o'tkazish va pastki sathlar orasidagi o'tishdan radiatsiya olish mumkin va buning natijasida biz luminesansni olamiz. Aslida, bu hodisani kuzatish kvant nuqtalarining birinchi kuzatuvi bo'lib xizmat qildi.Endi displeylar haqida
To‘liq displeylar tarixi 2011-yil fevral oyida, Samsung Electronics kompaniyasi QLED kvant nuqtalari asosidagi to‘liq rangli displeyni ishlab chiqishni taqdim etgan paytdan boshlangan. Bu faol matritsa tomonidan boshqariladigan 4 dyuymli displey edi, ya'ni. Har bir rangli kvant nuqtali pikselni yupqa plyonkali tranzistor orqali yoqish va o'chirish mumkin.Prototipni yaratish uchun kremniy plataga kvant nuqta eritmasi qatlami qo'llaniladi va erituvchi püskürtülür. Keyin taroqsimon sirtli rezina shtamp kvant nuqtalari qatlamiga bosiladi, ajratiladi va shisha yoki egiluvchan plastmassaga muhrlanadi. Substratga kvant nuqtalarining chiziqlari shu tarzda qo'llaniladi. Rangli displeylarda har bir piksel qizil, yashil yoki ko'k subpikselni o'z ichiga oladi. Shunga ko'ra, bu ranglar eng yaxshisini olish uchun turli intensivliklarda qo'llaniladi Ko'proq soyalar.
Rivojlanishning navbatdagi bosqichi Bangalordagi Hindiston fan instituti olimlarining maqolasi nashr etildi. Faqat lyuminestsent emas, balki kvant nuqtalari qayerda tasvirlangan? apelsin, lekin ayni paytda quyuq yashildan qizil ranggacha.
Nima uchun LCD yomonroq?
QLED displeyning LCD displeydan asosiy farqi shundaki, ikkinchisi rang diapazonining atigi 20-30 foizini qamrab oladi. Shuningdek, ichida QLED televizorlari yorug'lik filtrlari bilan qatlamni ishlatishning hojati yo'q, chunki kristallar, ularga kuchlanish qo'llanilganda, har doim aniq belgilangan to'lqin uzunligi va natijada bir xil rang qiymati bilan yorug'lik chiqaradi.
Shuningdek, Xitoyda kvant nuqtalari asosidagi kompyuter displeyining sotilishi haqida xabarlar paydo bo'ldi. Afsuski, televizordagidan farqli o'laroq, o'z ko'zim bilan tekshirish imkoniga ega bo'lmadim.
P.S. Shuni ta'kidlash kerakki, kvant nuqtalarini qo'llash doirasi faqat LED monitorlari bilan cheklanmaydi, ulardan foydalanish mumkin; dala effektli tranzistorlar, fotoelementlar, lazerli diodlar, ularni tibbiyotda qo'llash imkoniyatlari va kvant hisoblash.
P.P.S. Agar mening shaxsiy fikrim haqida gapiradigan bo'lsak, men ular yaqin o'n yil ichida mashhur bo'lmasligiga ishonaman, chunki ular kam ma'lum bo'lganligi uchun emas, balki bu displeylarning narxi osmon qadar baland, lekin men hali ham bu kvantga umid qilmoqchiman. ballar tibbiyotda o'z qo'llanilishini topadi va nafaqat daromadni oshirish, balki yaxshi maqsadlarda ham qo'llaniladi.
A.V. Fedorov, A.V. Baranov | ||||||||||||
Ln[ K(t ) ] | ||||||||||||
t, ps | ||||||||||||
Guruch. 4.32. a - Lorentsian bir jinsli va Gauss bir jinsli kengayishlarining turli nisbiy hissalari uchun impulslar orasidagi o'zaro kechikish funktsiyasi sifatida kogerent monitoring signali konvertining logarifmi (r = 2 =!). Qattiq chiziq - ~ 2 = 21:25 µeV bilan sof Lorentsian bir hil kengayish; kesilgan chiziq –r =1/1; nuqta chiziq –r =1/2,5; tire-nuqta -r =1/14. Mutlaq qiymatlar2 va! Shunday qilib tanlanganki, bitta kvant nuqtasining fotolyuminessent chizig'ining HWHM ishiga muvofiq doimiy ravishda (21:25 mkV) saqlanadi. b - a holidagi kabi bir xil parametrlar uchun hisoblangan bitta kvant nuqtasining fotolyuminessent chizig'ining Voigt konturi.
o'lchash moslamasi va Voigt sxemasi bilan sozlash. Bu qo'shimcha xatolarga olib keladi. Shaklda. 4.32 b bitta kvant nuqtaning fotoluminesans chiziqlari shakllari bir xil nisbatlar uchun chizilgan2 =! , 4.32 a-rasmdagi kabi. Ko'rinib turibdiki, spektral chiziqlarning eng informatsion qismi ularning qanotlari bo'lib, bu erda erishish qiyin. yaxshi munosabat signal / shovqin Shu bilan birga, K() dagi mos keladigan o'zgarishlar kogerent boshqaruv signalini etarli darajada aniqlik bilan olish mumkin bo'lgan mintaqada eng aniq namoyon bo'ladi. Shunday qilib, kogerent nazorat usuli optik va relaksatsiya jarayonlarida zaryad muhitining tebranishlarining ta'sirini o'rganish uchun ishlatilishi mumkin.
4.3. Kvant nuqtalarining qo'llanilishi
4.3.1. Tolali aloqa uchun kvant nuqta lazerlari
Optik tolali telekommunikatsiyalarning rivojlanishi samaradorlikni yaratish zaruriyatini keltirib chiqardi yarimo'tkazgichli lazerlar va minimal to'lqin o'tkazgich yo'qotishlari (1,25-1,65 mkm) spektral hududida ishlaydigan optik kuchaytirgichlar. Maksimal uzunlik InGaAs/GaAs kvant quduq lazerlari tomonidan erishilgan to'lqin uzunligi oxiridan hosil qiluvchi qurilmalar uchun 1230 nm va vertikal bo'shliqli lazerlar uchun 1260 nm ni tashkil qiladi. Etarli darajada katta pol oqimlari, past ish harorati va past
4. Kvant nuqta optikasi |
Bunday lazerlarning harorat barqarorligi har doim ham yuqori tezlikdagi telekommunikatsiya qurilmalari talablariga javob bermaydi.
A3 B5 birikmalarining o'z-o'zidan tashkil etilgan kvant nuqtalarining ko'p qatlamli tuzilmalarini ishlab chiqarishdagi muvaffaqiyat, kattaligi va shakli bo'yicha etarlicha bir xil. sirt zichligi, faol vosita sifatida kvant nuqtalari bo'lgan yarimo'tkazgichli lazerlarning yaratilishiga olib keldi. Natijada, 1,0–1,7 mkm spektral hudud an'anaviy dizayndagi lazerlar uchun ham, InGaAs kvant nuqtalari va GaAs substratlaridan foydalangan holda vertikal bo'shliqli lazerlar uchun ham lazerlash uchun mavjud bo'ldi. Xususan, har ikkala turdagi lazer ham juda past chegara oqimlari va yuqori chiqish quvvati bilan 1,3 mkm to'lqin uzunligida nurlanish hosil qilishi mumkin. Yaqinda keng polosali kvant nuqta lazeri namoyish etildi, u 1,5 mkm chastotada har bir kvant nuqta qatlami uchun atigi 70 A/sm2 oqim zichligi bilan nur chiqaradi. xona harorati. Kvant nuqtali tuzilmalarga asoslangan optik kuchaytirgichlar 40 Gbit/s dan yuqori tezlikda signalni yuqori tezlikda qayta ishlash uchun qiziqish uyg'otadi. Rivojlangan GaAs texnologiyalari AlAs/GaAs va AlOx/GaAs juftliklari asosida vertikal boʻshliqli va taqsimlangan Bragg nometalllari bilan ancha arzon monolit kvant nuqta lazerlarini ishlab chiqarish imkonini berishi muhim.
Shuni ta'kidlash kerakki, kvant nuqtalarida elektron o'tishlarning bir hil bo'lmagan kengayishi tufayli lazer to'lqin uzunligini uzluksiz sozlash hududini kengaytirish mumkin bo'ladi. Ostona oqimlarning biroz oshishi bilan u 200 nm (1,033-1,234 mkm) ga yetishi mumkin.
InAs kvant nuqtalari va InP substratlaridan foydalanadigan lazerlar ham qiziqish uyg'otadi, chunki ular uzoqroq to'lqin uzunligi diapazonida (1,8–2,3 mkm) hosil bo'lishiga imkon beradi, bu molekulyar spektroskopiya va boshqa sohalarda qo'llanilishi uchun muhimdir. masofaviy boshqarish gaz atmosferalari lidarlardan foydalanish. Shu bilan birga, bunday geterostrukturadan faol muhitga ega lazerdan to'lqin uzunligi 1,9 va 2 mkm bo'lgan nurlanish hosil bo'lishi hozirgacha faqat past (77 K) haroratlarda olingan. Qizig'i shundaki, 1,6 va 1,78 mkm to'lqin uzunliklarida lazerlash InAs kvant simlariga asoslangan lazerlar uchun ham ko'rsatildi - bir o'lchovli kvant tuzilmalari(001) InP substratida. Nihoyat, lazerning faol muhiti sifatida (001) InP substratida o'stirilgan InAsSb asosidagi kvant nuqtalari yordamida xona haroratida 2 mkm mintaqada uzluksiz lasing olindi.
Ushbu yo'nalishning jadal rivojlanishi hozirgi vaqtda kvant nuqtalariga asoslangan faol muhitga ega bo'lgan yarim o'tkazgichli lazerlarning ayrim turlarini tijorat maqsadlarida topishga olib keldi.
260 A.V. Fedorov, A.V. Baranov
4.3.2. Biologiya va tibbiyotdagi kvant nuqtalari
Yarimo'tkazgich kvant nuqtalarini qo'llashning eng faol rivojlanayotgan yo'nalishlaridan biri bu kolloid kvant nuqtalaridan (organik va suvli eritmalardagi yarimo'tkazgichli nanokristallar) biologik ob'ektlarning tuzilishini vizualizatsiya qilish uchun lyuminestsent belgilar sifatida foydalanishdir. har xil turlari va molekulyar va hujayrali biologiya, tibbiy diagnostika va terapiyada juda muhim bo'lgan biokimyoviy reaktsiyalarni o'ta sezgir aniqlash uchun. Lyuminestsent yorliq - bu aniqlanishi mumkin bo'lgan biologik tuzilishga (maqsadga) tanlab bog'lanishi mumkin bo'lgan bog'lovchi molekula bilan bog'langan fosfor. Yorliqlar suvda yaxshi eriydigan, yuqori yutilish koeffitsientiga ega bo'lishi va tor spektrli diapazonda yuqori lyuminestsent kvant rentabelligiga ega bo'lishi kerak. Ikkinchisi, ayniqsa, hujayradagi turli nishonlar turli teglar bilan belgilangan bo'lsa, ko'p rangli tasvirlarni yozish uchun juda muhimdir. Organik bo'yoqlar odatda teglar uchun fosfor sifatida ishlatiladi. Ularning kamchiliklari - uzoq muddatli o'lchovlarni o'tkazishga imkon bermaydigan fotooqartirishga nisbatan past qarshilik, turli bo'yoqlarni qo'zg'atish uchun bir nechta yorug'lik manbalaridan foydalanish zarurati, shuningdek, ko'p rangli tasvirlarni tahlil qilishni murakkablashtiradigan lyuminesans tasmalarining katta kengligi va assimetriyasi.
Nanotexnologiya sohasidagi so'nggi yutuqlar fosfor sifatida yarimo'tkazgich kvant nuqtalari - kolloid nanokristallardan foydalangan holda lyuminestsent teglarning yangi sinfini yaratish haqida gapirishga imkon beradi.
A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) va A3 B5 (InP va GaAs) birikmalari asosida nanokristallarning sintezi ancha vaqtdan beri ma'lum. 1993 yilda CdSe kvant nuqtalarining yuqori haroratli organometalik sintezi taklif qilingan va yaxshi kristall tuzilishga ega va tor o'lchamdagi taqsimotga ega, ammo kvant rentabelligi 10% dan oshmaydigan nanokristallar olingan. Xona haroratida kvant nuqtalarining kvant rentabelligining 85% gacha keskin o'sishi nanokristallar kattaroq tarmoqli bo'shlig'iga ega bo'lgan boshqa materialning yupqa (1-2 mono qatlamli) qobig'i bilan qoplana boshlaganda erishildi (masalan, CdSe uchun bu ZnS, CdS, CdO). Bunday tuzilmalar yadro/qobiq kvant nuqtalari (yadro/qobiq QD) deb ataladi. Kvant nuqtalarining diametri (1,5 nm va undan yuqori) taxminan 300o C haroratda sodir bo'ladigan reaktsiya vaqtini o'zgartirish, daqiqadan bir necha soatgacha yoki oddiygina mahsulotning kerakli miqdorini tanlash orqali boshqarilishi mumkin. boshqa vaqt reaktsiya boshlanganidan keyin. Natijada, bir xil tarkibdagi, ammo har xil o'lchamdagi kvant nuqtalari to'plamini olish mumkin bo'ldi. Masalan, CdSe/ZnS QD larning luminesans zonasining holati taxminan 30 meV tarmoqli kengligi bilan 433 dan 650 nm (2,862–1,906 eV) oralig'ida o'zgarishi mumkin. Boshqa materiallardan foydalanish nanokristallarning luminesans diapazonini sozlashning spektral diapazonini sezilarli darajada kengaytirish imkonini beradi (4.33-rasm). Asosan
Kvant nuqta optikasi | |||||
Intensivlik | |||||
To'lqin uzunligi, | |||||
Guruch. 4.33. Yarimo'tkazgichli nanokristallarning lyuminestsent spektrlari turli xil tarkib va turli o'lchamlar. Qattiq chiziqlar diametri 1,8, 3,0 va 6,0 nm bo‘lgan CdSe nanokristallariga, nuqtali chiziqlar diametri 3,0 va 4,6 nm bo‘lgan InP nanokristallariga, chiziqli chiziqlar esa 2,3,6,6 nm va 2,6,6 nm diametrli InAs nanokristallariga to‘g‘ri keladi. .
nanokristallar an'anaviy organik bo'yoqlarga qaraganda torroq va simmetrikroq lyuminestsent chiziqlarni namoyish etadi. Bu ko'p rangli tasvirlarni tahlil qilishda juda muhim afzallikdir. Shaklda. Misol tariqasida, 4.34-rasmda CdSe/ZnS nanokristallari va rodamin 6G molekulalarining luminesans spektrlari solishtiriladi.
Intensivlik, rel. birliklar
Rodamin 6 F |
Kvant nuqtalari
To'lqin uzunligi, nm
Guruch. 4.34. Kvant nuqtalari va rodamin 6G molekulalarining luminesans chiziqlarini taqqoslash.
Qo'shimcha afzallik shundaki, odatda bir xil tarkibdagi nanokristallar mavjud keng tasma yuqori energiyali holatlarga o'tishga mos keladigan yuqori molyar so'nish koeffitsienti (10−6 sm−1 M−1 gacha) bo'lgan yutilish. Uning pozitsiyasi kuchsiz ravishda kvant nuqtasining o'lchamiga bog'liq. Shuning uchun, bo'yoqlardan farqli o'laroq, bu mumkin
262 A.V. Fedorov, A.V. Baranov
turli o'lchamdagi nanokristallarning lyuminestsensiyasini bitta bilan samarali qo'zg'atish lazer manbai Sveta. Biroq, asosiy afzallik shundaki, nanokristallar mukammal fotostabillikka ega: ular bir necha soat yoki hatto kunlar davomida so'nmaydi, an'anaviy fosforlarning xarakterli fotooqartirish vaqti bir necha daqiqalar bilan cheklangan (1-rasm). 4.35 AlexaFluor® 488-rasm. 4.35. Simob chiroq nurlanishi ta'sirida CdSe/ZnS nanokristallari va an'anaviy molekulyar fosforlarga asoslangan teglarning lyuminestsensiyasining fotoinduktsiyali degradatsiyasi.
Natijada olingan bunday kvant nuqtalarining yuzasi kimyoviy reaksiya, sintezda ishlatiladigan hidrofobik molekulalar bilan qoplangan, shuning uchun ular faqat organik erituvchilarda eriydi. Biologik ob'ektlar (oqsillar, DNK, peptidlar) faqat suvli eritmalarda mavjud bo'lganligi sababli, nanokristallarning sirtini o'zgartirish usullari ishlab chiqilgan bo'lib, ularni musbat va manfiy zaryadlangan sirtlar bilan suvda eruvchan qiladi. Nanokristallarni tahlil qilingan biomolekulalar bilan tanlab bog'lash imkonini beruvchi bir necha turdagi bog'lovchi molekulalar taklif qilingan. Misol tariqasida, 4.36-rasmda ZnS qobig'i bilan qoplangan CdSe nanokristalining misoli ko'rsatilgan, u merkaptoasetik kislota molekulasi bilan kovalent bog'langan oqsil bilan.
Yaqinda nishonlar uchun yarimo'tkazgich kvant nuqtalariga asoslangan lyuminestsent teglar har xil turlari tijorat uchun foydalanish mumkin bo'ldi.
In vivo kvant nuqtalarini ishlatish uchun ularning toksikligini kamaytirish choralarini ko'rish kerak. Ushbu maqsadlar uchun kvant nuqtalarini diametri 50-300 nm bo'lgan inert polimer sferalarga joylashtirish va nanosferalarning nisbatan katta o'lchamlari ulardan foydalanishga to'sqinlik qilmagan hollarda ularni fosfor sifatida ishlatish taklif etiladi. Foydalanish
Mikroskopik o'lchamdagi har qanday modda nanozarracha bo'lib, nanotexnologiya tadqiqotchilari ushbu mayda shakldagi elementlardan foydalanishga asoslangan yangi texnologiyalarni loyihalash va yaratish uchun foydalanadigan materialdir. Biz diqqat bilan o'qiymiz, chunki matnning mohiyatini biroz o'rganishimiz kerak bo'ladi.
Kvant nuqtalari har qandaydan yasalgan nanozarralardir yarimo'tkazgich materiali, masalan, kremniy, kadmiy selenid, kadmiy sulfid yoki indiy arsenid, yorug'lik bilan yoritilganda ma'lum bir rang porlaydi.
Ularning porlashi rangi nanopartikulning o'lchamiga bog'liq. Kvantlarni joylashtirish orqali turli o'lchamlar Displey ekranining har bir pikselida qizil, yashil va ko'k ranglar mavjudligiga erishish mumkin, bu esa ushbu piksellarda ranglarning to'liq spektrini yaratishga imkon beradi (mavjud har qanday rang ushbu ranglarni aralashtirish orqali yaratiladi).
Kvant nuqtalari UV nurlari bilan yoritilganda, elektronlarning bir qismi atomlardan ajralib chiqish uchun etarli energiya oladi. Bu qobiliyat ularga nanozarracha atrofida harakat qilish imkonini beradi, elektronlar material bo‘ylab erkin harakatlana oladigan va elektr tokini o‘tkaza oladigan o‘tkazuvchanlik zonasini yaratadi.
Elektronlar atom atrofida (valentlik zonasi) tashqi orbitaga tushganda, ular yorug'lik chiqaradilar. Bu yorug'likning rangi o'tkazuvchanlik zonasi va valentlik zonasi o'rtasidagi energiya farqiga bog'liq.
Nanozarracha qanchalik kichik bo'lsa, valentlik zonasi va o'tkazuvchanlik zonasi o'rtasidagi energiya farqi shunchalik yuqori bo'ladi, natijada ko'k rang yanada chuqurroq bo'ladi. Kattaroq nanozarralar uchun valentlik zonasi va o'tkazuvchanlik zonasi o'rtasidagi energiya farqi kamroq bo'ladi, bu esa emissiyani qizil rangga siljitadi.
Kvant nuqtalari va displeylar
LCD displeylar uchun afzalliklari juda ko'p. Keling, LCD displeylar kvant nuqtalaridan olgan eng muhim va qiziqarli xususiyatlarni ko'rib chiqaylik.
Yuqori yorqinlik
Ishlab chiqaruvchilarning kvant nuqtalari haqida juda hayajonlanish sabablaridan biri bu boshqa texnologiyalardan foydalanishga qaraganda ancha yuqori yorqinligi yuqori bo'lgan ekranlarni yaratish qobiliyatidir. O'z navbatida, yuqori yorqinlik ko'p narsani beradi katta imkoniyatlar HDR va Dolby Vision dan foydalanish uchun.
Dolby Vision - bu yuqori dinamik diapazonga ega bo'lgan video standarti, ya'ni ekrandagi eng yorqin va qorong'i nuqta o'rtasidagi yorug'likdagi juda katta farq, bu tasvirni yanada real va kontrastli qiladi.
Agar bilmasangiz, ishlab chiquvchilar doimo Rabbiy Xudoni o'ynashga va u yaratgan narsalarni yaratishga harakat qilishadi (yoki bularning barchasini atrofimizdagi, ehtimol koinotni kim yaratgan?), faqat uni ekranga o'tkazish uchun.
Ya'ni, masalan, oddiy osmon aniq kunda taxminan 20 000 nits (yorqinlik birligi) yorqinligi bor, esa eng yaxshi televizorlar taxminan 10 ga kamroq yorqinlikni ta'minlashi mumkin. Shunday qilib, Dolby Vision standarti hali ham boshqalardan oldinda, lekin ular hali ham Yaratgandan juda uzoqda :)
Shunga ko'ra, kvant nuqtali ekranlar yorqinroq tasvir sari yana bir qadamdir. Ehtimol, bir kun kelib biz uydan chiqmasdan deyarli haqiqiy quyosh chiqishi va/yoki quyosh botishini va balki tabiatning boshqa noyob mo''jizalarini ko'rishimiz mumkin.
Eng yaxshi rang berish
Kvant nuqtalarining yana bir katta foydasi - yaxshilangan rang aniqligi. Har bir pikselda qizil, ko'k va yashil rangdagi KTlar mavjud bo'lganligi sababli, u sizga ranglarning to'liq palitrasiga kirish imkonini beradi, bu esa o'z navbatida har qanday rangning aql bovar qilmaydigan miqdordagi soyalariga erishish imkonini beradi.
Mobil qurilmalar uchun batareya quvvati yaxshilandi
Kvant nuqtali ekranlar nafaqat ajoyib tasvir sifatini, balki juda kam quvvat sarfini ham va'da qiladi.
Kvant nuqtalari va Samsung QLED
Samsung kvant nuqtalariga asoslangan televizorlar yoki oddiygina, ushbu texnologiyani to'g'ri tushunishda to'liq kvant nuqtalariga asoslanmagan. QLED ko'proq gibrid, kvant nuqtalari va LED ekranlar o'rtasidagi narsa. Nega? Chunki bu televizorlar hali ham foydalanmoqda LED chiroqlari, va kvant nuqtalariga asoslangan haqiqiy ekranda yorug'lik nuqtalar orqali aniq yaratilishi kerak.
Shu sababli, Janubiy Koreya gigantining yangi televizorlari odatiy LED ekranlarga qaraganda yaxshiroq ko'rsatsa ham, ular baribir kvant nuqtali televizorlar emas, balki yorug'lik filtri o'rniga kvant nuqtalari bo'lgan televizorlardir.
Izohlar:
| Ivan Ivanovich |