Выбор читателей
Популярные статьи
Квантовая точка. Квантовые точки: полиграфия и другие области применения
А.В. Федоров, А.В. Баранов | ||||||||||||
Ln[ K(τ ) ] | ||||||||||||
τ , пс | ||||||||||||
Рис. 4.32. a – логарифм огибающей сигнала когерентного контроля как функция взаимной задержки между импульсами для различных относительных вкладов лоренцева однородного и гауссова неоднородного уширений (r = 2 = ! ). Сплошная линия – чисто лоренцево однородное уширение с~ 2 = 21:25 мкэВ; штриховая линия –r =1/1; пунктирная линия –r =1/2.5; штрихпунктирная –r =1/14. Абсолютные значения2 и! выбирались таким способом, чтобы HWHM фотолюминесцентной линии одиночной квантовой точки сохранялась постоянной (21:25 мкэВ) в соответствии с работой . б – контур Фойгта фотолюминесцентной линии одиночной квантовой точки, вычисленный для тех же параметров, что и в случае a.
измерительного прибора и подгонку контуром Фойгта. Это приводит к дополнительным ошибкам. На рис. 4.32 б построены формы линий фотолюминесценции одиночной квантовой точки при тех же отношениях2 = ! , что и на рис.4.32 a. Видно, что наиболее информативная часть спектральных линий – их крылья, где трудно добиться хорошего отношения сигнал/шум. В то же время, соответствующие измененияK() наиболее отчетливы в области, где сигнал когерентного контроля может быть получен с достаточной точностью. Таким образом, метод когерентного контроля можно использовать для изучения эффектов флуктуации зарядового окружения в оптических и релаксационных процессах.
4.3. Применение квантовых точек
4.3.1. Лазеры на квантовых точках для волоконной связи
Развитие оптоволоконных телекоммуникаций привело к необходимости создания эффективных полупроводниковых лазеров и оптических усилителей, работающих в спектральной области минимальных потерь волноводов (1.25– 1.65 мкм). Наибольшая длина волны, достигнутая лазерами на квантовых ямах InGaAs/GaAs, составляет 1230 нм – для устройств, генерирующих с торца , и 1260 нм для лазеров с вертикальным резонатором . Достаточно большие пороговые токи, низкая рабочая температура и невысокая
4. Оптика квантовых точек |
температурная стабильность таких лазеров не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым к высокоскоростным телекоммуникационным устройствам.
Прогресс в изготовлении многослойных структур самоорганизованных квантовых точек соединений A3 B5 , достаточно однородных по размеру и форме при большой поверхностной плотности, привел к созданию полупроводниковых лазеров с квантовыми точками в качестве активной среды . В результате спектральная область 1.0–1.7 мкм стала доступной для генерации как для лазеров традиционной конструкции , так и для лазеров с вертикальным резонатором , использующих квантовые точки InGaAs и подложки GaAs. В частности, оба типа лазеров могут генерировать излучение с длиной волны 1.3 мкм с чрезвычайно низкими пороговыми токами и высокой выходной мощностью . Недавно был продемонстрирован широкополосный лазер на квантовых точках, излучающий на 1.5 мкм с плотностью тока всего в 70 А/см2 на один слой квантовых точек при комнатной температуре . Оптические усилители на основе квантово-точечных структур представляют интерес для высокоскоростной обработки сигналов со скоростью свыше 40 Гбит/с . Существенно, что развитые GaAs-технологии позволяют изготавливать достаточно дешевые монолитные лазеры на квантовых точках с вертикальным резонатором c распределенными брегговскими зеркалами на основе пар AlAs/GaAs и AlOx /GaAs .
Следует отметить, что благодаря неоднородному уширению электронных переходов в квантовых точках возникает возможность расширения области непрерывной перестройки длины волны генерации. При некотором увеличении пороговых токов она может достигать 200 нм (1.033–1.234 мкм) .
Лазеры, использующие InAs-квантовые точки и InP-подложки, также представляют интерес, поскольку они позволяют получать генерацию в более длинноволновом диапазоне (1.8–2.3 мкм), важном для применений в молекулярной спектроскопии и дистанционном контроле газовых атмосфер с помощью лидаров. В то же время, генерация излучения с длиной волны 1.9 и 2 мкм лазера с активной средой из такой гетероструктуры была получена пока только при низкой (77 К) температуре. Интересно, что генерация на длинах волн 1.6 и 1.78 мкм была также продемонстрирована для лазеров на InAs квантовых проволоках – одномерных квантовых структурах на (001)InP-подложке. И наконец, непрерывная генерация в области 2 мкм получена при комнатной температуре при использовании в качестве активной среды лазера квантовых точек на основе InAsSb, выращенных на (001)InP-подложке .
Интенсивное развитие этого направления привело к тому, что в настоящее время некоторые типы полупроводниковых лазеров с активной средой на основе квантовых точек стали коммерчески доступны, .
260 А.В. Федоров, А.В. Баранов
4.3.2. Квантовые точки в биологии и медицине
Одной из наиболее активно развивающихся областей применения полупроводниковых квантовых точек является использование коллоидных квантовых точек (полупроводниковых нанокристаллов в органических и водных растворах) в качестве люминесцентных меток для визуализации структуры биологических объектов разного типа и для сверхчувствительного детектирования биохимических реакций, которые крайне важны в молекулярной и клеточной биологии, медицинской диагностике и терапии. Люминесцентная метка представляет собой люминофор, связанный с молекулой-линковщиком, которая может селективно связываться с детектируемой биоструктурой (мишенью). Метки должны быть растворимыми в воде, иметь большой коэффициент поглощения, обладать высоким квантовым выходом люминесценции в узкой спектральной полосе. Последнее особенно важно для регистрации многоцветных изображений, когда различные мишени в клетке помечены разными метками. В качестве люминофоров меток обычно используются органические красители. Их недостатками являются низкая устойчивость к фотообесцвечиванию, не позволяющая проводить долговременные измерения, необходимость использования нескольких источников света для возбуждения различных красителей, а также большая ширина и асимметрия полос люминесценции, затрудняющие анализ многоцветных изображений.
Последние достижения в области нанотехнологий позволяют говорить о создании нового класса люминесцентных меток, использующих в качестве люминофора полупроводниковые квантовые точки – коллоидные нанокристаллы .
Синтез нанокристаллов на основе соединений A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) и A3 B5 (InP и GaAs) известен достаточно давно . Еще в 1993 году был предложен высокотемпературный органометаллический синтез квантовых точек CdSe и получены нанокристаллы с хорошей кристаллической структурой и узким распределением по размерам, но с квантовым выходом, не превышающим 10%. Резкое увеличение квантового выхода квантовых точек до 85% при комнатной температуре было достигнуто, когда нанокристаллы стали покрывать тонкой (1–2 монослоя) оболочкой из другого материала с большей шириной запрещенной зоны (например, для CdSe это ZnS, CdS, CdO) . Такие структуры называются квантовые точки ядро/оболочка (core/shell QDs). Диаметр квантовых точек (от 1.5 нм и выше) можно контролировать, варьируя время реакции, проходящей при температуре около 300o С, от минут до нескольких часов или просто отбирая необходимое количество продукта через разное время после начала реакции . В результате оказалось возможным получить набор квантовых точек одного состава, но с разными размерами. Например, положение полосы люминесценции CdSe/ZnS КТ может меняться в диапазоне от 433 до 650 нм (2.862– 1.906 эВ) при ширине полосы около 30 мэВ . Использование других материалов позволяет существенно расширить спектральную область перестройки полосы люминесценции нанокристаллов (рис.4.33 ). Существенно,
Оптика квантовых точек | |||||
Интенсивность | |||||
Длина волны, | |||||
Рис. 4.33. Спектры люминесценции полупроводниковых нанокристаллов различного состава и разных размеров. Сплошные линии соответствуют нанокристаллам CdSe c диаметрами 1.8, 3.0 и 6.0 нм, пунктирные – нанокристаллам InP c диаметрами 3.0 и 4.6 нм, штриховые – нанокристаллам InAs с размерами 2.8, 3.6, 4.6 и 6.0 нм.
что нанокристаллы демонстрируют более узкие и симметричные полосы люминесценции, чем обычные органические красители. Это является чрезвычайно важным преимуществом при анализе многоцветных изображений. На рис. 4.34 в качестве примера сопоставлены спектры люминесценции нанокристаллов CdSe/ZnS и молекул родамина 6Ж.
Интенсивность, отн. ед.
Родамин 6 Ж |
Длина волны, нм
Рис. 4.34. Сопоставление полос люминесценции квантовых точек и молекул родамина 6Ж.
Дополнительным преимуществом является то, что нанокристаллы одного состава обычно имеют широкую полосу поглощения с высоким молярным коэффициентом экстинкции (до 10−6 см−1 М−1 ), соответствующую переходам в высокоэнергетические состояния. Ее положение слабо зависит от размера квантовой точки. Поэтому в отличие от красителей оказывается возможным
262 А.В. Федоров, А.В. Баранов
эффективное возбуждение люминесценции нанокристаллов разных размеров одним лазерным источником света. Однако основным преимуществом является то, что нанокристаллы имеют великолепную фотоустойчивость : они не выцветают в течение нескольких часов и даже дней, в то время как характерные времена фотообесцвечивания обычных люминофоров ограничены единицами минут (рис.4.35 AlexaFluor® 488Рис. 4.35. Фотоиндуцированная деградация люминесценции меток на основе CdSe/ZnS нанокристаллов CdSe/ZnS и традиционных молекулярных люминофоров под действием излучения ртутной лампы .
Поверхность таких квантовых точек, полученных в результате химической реакции, покрыта гидрофобными молекулами, используемыми при синтезе, поэтому они растворимы только в органических растворителях. Поскольку биологические объекты (протеины, ДНК, пептиды) существуют только в водных растворах, были разработаны методы модификации поверхности нанокристаллов, которые делают их водорастворимыми как с положительно, так и с отрицательно заряженной поверхностью. Предложены несколько типов молекул-линковщиков, позволяющих селективно связывать нанокристаллы с анализируемыми биомолекулами. В качестве примера, на рис.4.36 приведен пример нанокристалла CdSe, покрытого оболочкой из ZnS, который ковалентно связан с протеином молекулой меркаптоуксусной кислоты .
В самое последнее время люминесцентные метки на основе полупроводниковых квантовых точек для мишеней различного типа стали коммерчески доступными .
Для использования квантовых точек in vivo необходимо предпринять меры, уменьшающие их токсичность. В этих целях предложено помещать квантовые точки в инертные полимерные сферы с диаметрами 50–300 нм и уже их использовать в качестве люминофоров в случаях, когда относительно большие размеры наносфер не препятствуют их применению. Исполь-
Квантовые точки - это небольшие кристаллы, излучающие свет с точно регулируемым цветовым значением. Они существенно повышают качество изображения, не влияя при этом на конечную стоимость устройств.
Quantum dot LED — новая технология экранов Обычные ЖК-телевизоры способны передавать лишь 20–30% цветового диапазона, воспринимаемого человеческим глазом. Изображение на OLED-экране больше соответствует реальности, однако данная технология не подходит для массового производства крупных дисплеев. Но недавно на ее место пришла новая, обеспечивающая возможность отображения точных цветовых значений. Речь идет о так называемых квантовых точках. В начале 2013 года компания Sony представила первый телевизор на основе квантовых точек (Quantum dot LED, QLED). В этом году в серийное производство будут запущены другие модели устройств, при этом стоить они будут как обычные ЖК-телевизоры и значительно меньше, чем OLED-решения. Чем же отличаются дисплеи, произведенные по новой технологии, от стандартных ЖК-экранов?
В ЖК-телевизорах нет чистых цветов
Жидкокристаллические дисплеи состоят из пяти слоев: исходной точкой является белый свет, излучаемый светодиодами и проходящий через несколько фильтров. Поляризационные фильтры, расположенные спереди и сзади, в сочетании с жидкими кристаллами регулируют проходящий световой поток, понижая или повышая яркость. Это возможно благодаря транзисторам пикселей, которые влияют на то, сколько света пройдет через светофильтры (красный, зеленый, синий). Сочетание цветов этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, в итоге дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов не вызывает проблем, но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий невозможно. Причина здесь кроется в фильтрах, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый пучок различных по длине волн. Например, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.
Светодиод светится при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. Поэтому и излученные фотоны имеют различную энергию, что выражается в разной длине волн излучения.
Квантовые точки - стабильный свет
В дисплеях QLED в качестве источника света выступают квантовые точки - кристаллы размером несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением - энергетическая зона уменьшается до одного энергетического уровня. Данный эффект объясняется крохотными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве. Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. Например, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно получить также при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.
В связи с тем обстоятельством, что массовое производство синих кристаллов сопряжено с большими сложностями и затратами, представленный компанией Sony телевизор не является «чистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых QD Vision дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока.
Квантовые точки в HD-телевизора
Наши глаза способны видеть больше цветов, чем могут отобразить HD-телевизоры. Изменить данную ситуацию могут дисплеи на основе квантовых точек. Квантовые точки - это крохотные частицы диаметром несколько нанометров, которые излучают свет с одной определенной длиной волны и всегда с одним и тем же цветовым значением. Если же говорить о светофильтрах, используемых в современных телевизорах, то они обеспечивают лишь размытые цвета.
Экраны без светофильтров
В современных телевизорах белый свет светодиодных ламп (подсветка) становится цветным благодаря светофильтрам. В дисплее на основе квантовых точек (QLED) цвет формируется непосредственно в источнике излучения. Системы регулировки яркости посредством жидких кристаллов и поляризации изменений не претерпели.
Световые ячейки в сравнении
В светодиодах электроны переходят из материала N-типа в материал P-типа, отдавая при этом энергию в виде белого света с различными длинами волн. Фильтр формирует нужный цвет. В телевизорах QLED нанокристаллы излучают свет с определенной длиной волны, а значит, и цветом.
Более широкий цветовой охват
Дисплеи на квантовых точках способны отображать более естественные цвета (красный, зеленый, синий), чем традиционные телевизоры, покрывая более широкий цветовой диапазон, который наиболее близок к нашему цветовому восприятию.
Размер и материал определяют цвет
Когда электрон (e) соединяется с квантовой точкой, освобождается энергия в виде фотонов (P). Используя различные материалы и изменяя размер нанокристаллов, можно влиять на величину этой энергии и, как следствие, длину световой волны.
Для того чтобы получить общее представление о свойствах материальных предметов и законах, в соответствии с которыми «живет» привычный каждому макромир, вовсе не обязательно заканчивать высшее учебное заведение, ведь ежедневно каждый сталкивается с их проявлениями. Хотя в последнее время все чаще упоминается принцип подобия, сторонники которого утверждают, что микро и макромир весьма схожи, тем не менее, разница, все же, есть. Особенно это заметно при очень незначительных размерах тел и объектов. Квантовые точки, иногда называемые наноточками, как раз представляют собой один из этих случаев.
Меньше меньшего
Давайте вспомним классическое устройство атома, например, водорода. Он включает в себя ядро, которое благодаря присутствию в нем положительно заряженного протона обладает плюсовым то есть +1 (так как водород - первый элемент в таблице Менделеева). Соответственно, на определенном расстоянии от ядра находится электрон (-1), формируя электронную оболочку. Очевидно, что если увеличить значение то это повлечет за собой присоединение новых электронов (напомним: в целом атом электрически нейтрален).
Расстояние между каждым электроном и ядром определяется уровнями энергии отрицательно заряженных частиц. Каждая орбита является постоянной, суммарная конфигурация частиц определяет материал. Электроны могут перескакивать с одной орбиты на другую, поглощая или выделяя энергию посредством фотонов той или иной частоты. На наиболее удаленных орбитах находятся электроны с максимальным уровнем энергии. Что интересно, сам фотон проявляет двойственную природу, определяясь одновременно как безмассовая частица и электромагнитное излучение.
Само слово «фотон» греческого происхождения, оно означает «частица света». Следовательно, можно утверждать, что при смене электроном своей орбиты, он поглощает (выделяет) квант света. В данном случае уместно объяснить смысл другого слова - «квант». На самом деле ничего сложного нет. Слово произошло от латинского «quantum», что дословно переводится как наименьшее значение любой физической величины (здесь - излучения). Поясним на примере, что такое квант: если бы при измерении веса наименьшей неделимой величиной являлся миллиграмм, то его можно было бы так назвать. Вот так просто объясняется, казалось бы, сложный термин.
Квантовые точки: разъяснение
Часто в учебниках можно встретить следующее определение для наноточки - это чрезвычайно маленькая частица какого-либо материала, размеры которой сопоставимы с величиной излучаемой длины волны электрона (полный спектр охватывает предел от 1 до 10 нанометров). Внутри нее значение единичного носителя отрицательного заряда меньше, чем вне, поэтому электрон ограничен в перемещениях.
Однако термин «квантовые точки» может быть объяснен иначе. Электрон, поглотивший фотон, «поднимается» на более высокую энергетическую ступень, а на его месте образуется «недостача» - так называемая дырка. Соответственно, если электрон обладает -1 зарядом, то дырка +1. Стремясь вернуться к прежнему устойчивому состоянию, электрон испускает фотон. Связь носителей зарядов «-» и «+» в данном случае носит название экситон и в физике понимается как частица. Ее размер зависит от уровня поглощенной энергии (более высокой орбиты). Квантовые точки как раз и являются этими частицами. Частота излучаемой электроном энергии непосредственно зависит от размера частицы данного материала и экситона. Стоит отметить, что в основе цветового восприятия света человеческим глазом лежит различная
Важнейшим объектом физики низкоразмерных полупроводниковых геретоструктур являются так называемые квазинульмерные системы или квантовые точки. Дать точное определение квантовых точек достаточно трудно. Это связано с тем, что в физической литературе квантовыми точками называют широкий класс квазинульмерных систем, в которых проявляется эффект размерного квантования энергетических спектров электронов, дырок и экситонов. К этому классу, прежде всего, относят полупроводниковые кристаллы, у которых все три пространственных размера порядка боровского радиуса экситона в объёмном материале. Данное определение предполагает, что квантовая точка находится в вакууме, газовой или жидкой среде, либо ограничена каким-либо твердотельным материалом, отличающимся от материала, из которого она изготовлена. В этом случае трёхмерное пространственное ограничение элементарных возбуждений в квантовых точках обусловлено наличием границ раздела между различными материалами и средами, т. е. существованием гетерограниц. Такие квантовые точки часто называют микро- или нанокристаллами. Однако это простое определение не является полным, поскольку есть квантовые точки, для которых гетерограницы в одном либо двух измерениях отсутствуют. Несмотря на это, движение электронов, дырок или экситонов в таких квантовых точках пространственно ограничено из-за наличия потенциальных ям, возникающих, например, благодаря механическим напряжениям или флуктуациям толщины полупроводниковых слоёв. В этом смысле можно сказать, что квантовая точка - это любая трёхмерная потенциальная яма, заполненная полупроводниковым материалом, с характерными размерами порядка, в которой движение электронов, дырок и экситонов пространственно ограничено в трёх измерениях .
Методы изготовления квантовых точек
Среди всего многообразия различных квантовых точек можно выделить несколько основных типов, которые наиболее часто используются в экспериментальных исследованиях и приложениях. Прежде всего, это нанокристаллы в жидкостях, стёклах и в матрицах широкозонных диэлектриков (рис.1). Если они выращиваются в стеклянных матрицах, то, как правило, имеют сферическую форму. Именно в такой системе, представлявшей собой квантовые точки из CuCl, внедрённые в силикатные стёкла, при исследовании однофотонного поглощения был впервые обнаружен эффект трёхмерного размерного квантования экситонов. Эта работа положила начало бурному развитию физики квазинульмерных систем.
Рис.1.
Квантовые точки в кристаллической диэлектрической матрице могут быть прямоугольными параллелепипедами, как это имеет место для квантовых точек на основе CuCl, встроенных в NaCl. Нанокристаллами являются и квантовые точки, выращенные в полупроводниковых матрицах методом капельной эпитаксии .
Другим важным типом квантовых точек являются так называемые самоорганизованные квантовые точки, которые изготавливаются методом Странски-Крастанова с помощью техники молекулярно-лучевой эпитаксии (рис.2). Их отличительной особенностью является то, что они связаны между собой посредством сверхтонкого смачивающегося слоя, материал которого совпадает с материалом квантовых точек. Таким образом, в этих квантовых точках отсутствует одна из гетерограниц. К этому же типу, в принципе, могут быть отнесены пористые полупроводники, например пористый Si, а также потенциальные ямы в тонких полупроводниковых слоях, возникающие благодаря флуктуациям толщины слоёв .
Рис.2.
Рис.3. Структура с индуцированными механическими напряжениями InGaAs квантовыми точками. 1 - накрывающий слой GaAs; 2 - самоорганизованные InP квантовые точки, которые задают механические напряжения, приводящие к возникновению трёхмерных потенциальных ям в слое InGaAs; 3 и 6 - буферные слои GaAs; 4 - тонкая InGaAs квантовая яма, в которой образуются индуцированные механическими напряжениями квантовые точки; 5 - квантовые точки; 7 - подложка GaAs. Точечными линиями показаны профили механических наряжений.
Квантовые точки, индуцированные механическими напряжениями, можно отнести к третьему типу (рис.3). Они образуются в тонких полупроводниковых слоях благодаря механическим напряжениям, которые возникают из-за рассогласования постоянных решётки материалов гетерограниц. Эти механические напряжения приводят к появлению в тонком слое трёхмерной потенциальной яме для электронов, дырок и экситонов. Из рис. 3. видно, что такие квантовые точки не имеют гетерограниц в двух направлениях .
«Нанотехнологии» - слово со сложной историей и контекстом в русском языке, к сожалению, слегка дискредитированное. Однако если отвлечься от ироничного общественно-экономического подтекста, то можно констатировать, что нанотехнологии за последние годы из научно-теоретического концепта стали обретать формы, которые в обозримом будущем могут стать реальными коммерческими продуктами и войти в нашу жизнь.
Отличный пример тому – квантовые точки. Технологии с использованием наночастиц полупроводников постепенно находят себе применения в совершенно различных областях: медицина, полиграфия, фотовольтаика, электроника – некоторые из продуктов еще существуют на уровне прототипов, где-то технология реализована частично, а какие-то уже практически используются.
Так что такое «квантовая точка» и «с чем ее едят»?
Квантовая точка – это нанокристал неорганического полупроводникового материала (кремния, фосфида индия, селенида кадмия). «Нано» - значит измеряющийся в миллиардных долях, размеры таких кристаллов варьируются в пределах от 2 до 10 нанометров. Из-за такого малого размера электроны в наночастицах ведут себя совсем не так как в объемных полупроводниках.
Энергетический спектр квантовой точки неоднороден, в нем есть отдельные уровни энергии для электрона (отрицательно заряженной частицы) и дырки. Дыркой в полупроводниках называется незаполненная валентная связь, носитель положительного заряда численно равному электрону, она появляется, когда связь между ядром и электроном разрывается.
Если создаются условия, при которых носитель заряда в кристалле переходит с уровня на уровень, то при этом переходе излучается фотон. Изменяя размер частицы можно управлять частотой поглощения и длиной волны этого излучения. Практически же это значит, что в зависимости от размера частицы точки при облучении они будут светиться разным цветом.
Возможность контролировать длину волны излучения через размер частицы позволяет получать из квантовых точек устойчивые вещества, превращающие поглощаемую ими энергию в световое излучение – фотостабильные люминофоры.
Растворы на основе квантовых точек превосходят традиционные органические и неорганические люминофоры по ряду параметров, важных для тех областей практического применения, в которых необходима точная перенастраиваемая люминесценция.
Преимущества квантовых точек:
- Фотостабильны, сохраняют флуоресцентные свойства в течение нескольких лет.
- Высокая стойкость к фотовыцветанию: в 100 – 1000 раз выше, чем у органических флуорофоров.
- Высоких квантовый выход флуоресценции – до 90%.
- Широкий спектр возбуждения: от УФ до ИК (400 – 200 нм).
- Высокая чистота цвета из-за высоких пиков флуоресценции (25-40 нм).
- Высокая устойчивость к химической деградации.
Еще одним преимуществом, в особенности для полиграфии, является то, что на основе квантовых точек можно делать золи – высокодисперсные коллоидные системы с жидкой средой, в которой распределены мелкие частицы. А значит из них можно производить растворы, пригодные для струйной печати.
Области применения квантовых точек:
Защита документов и изделий от фальсификации: ценных бумаг, банкнот, удостоверений личности, штампов, печатей, сертификатов, свидетельств, пластиковых карт, товарных знаков. Система многоцветного кодирования на основе квантовых точек может быть коммерчески востребована для цветовой маркировки продукции в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, ювелирных изделий, произведений искусства.
Благодаря тому, что жидкая основа может быть водной или уф-отверждаемой, при помощи чернил с квантовыми точками можно маркировать практически любые объекты – для бумажных и других впитывающих основ - чернила на водной основе, а для невпитывающих (стекло, дерево, металл, синтетические полимеры, композиты) – уф-чернила.
Маркер в медицинских и биологических исследованиях. Благодаря тому, что на поверхность квантовых точек можно нанести биологические маркеры, фрагменты ДНК и РНК, реагирующие на определенный тип клеток, их можно использовать в качестве контраста в биологических исследованиях и диагностике рака на ранних стадиях, когда опухоль еще не определяется стандартными методами диагностики.
Использование квантовых точек в качестве флуоресцентных меток для изучения опухолевых клеток invitro– одна из наиболее перспективных и быстро развивающихся сфер применения квантовых точек в биомедицине.
Массовому внедрению этой технологии препятствует только лишь вопрос о безопасности применения контрастов с квантовыми точками в исследованиях invivo, так как большая часть из них производится из очень токсичных материалов, а размеры настолько малы, что они с легкостью проникают через любые барьеры организма.
Дисплеи на квантовых точках: QLED – технология создания дисплеев LCDсо светодиодной подсветкой на квантовых точках уже опробована передовыми производителями электроники. Применение этой технологии позволяет сократить энергопотребление дисплея, увеличить световой поток по сравнению с LED экранами на 25-30%, более сочные цвета, четкая цветопередача, глубина цвета, возможность делать экраны сверхтонкими и гибкими.
Прототип первого дисплея, по этой технологии был представлен компанией Samsungв феврале 2011, а первый компьютерный дисплей выпустила компания Philips.
В нем квантовые точки использованы для получения красного и зеленого цветов из спектра излучения синих светодиодов, что обеспечило близкую к естественной цветопередачу. В 2013 году компания Sony выпустила QLED экран, работающий по такому же принципу. В текущий момент эта технология производства больших экранов не имеет широкого применения из-за высокой себестоимости производства.
Лазер на квантовых точках. Лазер, рабочей средой которого являются квантовые точки в излучающей области, имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционными полупроводниковыми лазерами на основе квантовых ям. У них лучше характеристики по полосе частот, интенсивности шума, они менее чувствительны к изменениям температуры.
Благодаря тому, что изменение состава и размера квантовой точки позволяет управлять активной средой такого лазера, стала возможна работа на длинах волн, которые раньше были недоступны. Эта технология активно применяется на практике в медицине, с ее помощью был создан лазерный скальпель.
Энергетика
На основе квантовых точек также разработаны несколько моделей тонкопленочных солнечных батарей. В их основе лежит следующий принцип действия: фотоны света попадают на фотоэлектрический материал, содержащий квантовые точки, стимулируют появление пары электрона и дырки, энергия которых равна или превосходит минимальную энергию, необходимую электрону данного полупроводника для того, чтобы перейти из связанного состояния в свободное. Изменяя размеры нанокристаллов материала можно варьировать «энергетическую производительность» фотоэлектрического материала.
На основе этого принципа уже создано несколько оригинальных работающих прототипов различных видов солнечных батарей.
В 2011 г. исследователи из университета Нотр-Дама предложили «солнечную краску» на основе диоксида титана, нанесение которой может превратить любой объект в солнечную батарею. У нее довольно низкое КПД (всего 1%), но зато она дешева в производстве и может производиться в больших объемах.
В 2014 г. Ученые из Массачусетского технологического института представили метод изготовления солнечных элементов из ультратонких слоёв квантовых точек, КПД их разработки – 9%, а главное ноу-хау заключается в технологии объединения квантовых точек в пленку.
В 2015 г. Лаборатория Центра передовых технологий солнечной фотовольтаики в Лос-Аламосе предложила свой проект окон-солнечных батарей с КПД 3,2%, состоящих из прозрачного люминесцентного квантового концентратора, который может занимать достаточно большую площадь, и компактных солнечных фотоэлементов.
А вот исследователи из американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в поисках оптимального сочетания металлов для производства ячейки с максимальной квантовой эффективностью создали настоящего рекордсмена производительности – внутренняя и внешняя квантовая эффективность их батареи на тестах составила 114% и 130% соответственно.
Эти параметры не являются КПД батареи, которая сейчас показывает сравнительно небольшой процент – всего 4,5%, однако оптимизация сбора фотопотока и не являлась ключевой целью исследования, которая заключалась только в подборе наиболее эффективного сочетания элементов. Тем не менее стоит отметить, что до эксперимента NREL ни одна батарея не показывала квантовую эффективность выше 100%.
Как видим потенциально сферы практического применения квантовых точек широки и разнообразны, теоретические разработки ведутся сразу в нескольких направлениях. Массовому внедрению их в различных сферах препятствует ряд ограничений: дороговизна производства самих точек, их токсичность, несовершенство и экономическая нецелесообразность самой технологии производства.
В самом ближайшем будущем массовое распространение может получить система цветового кодирования и маркировки чернилами на основе квантовых точек. Понимая, что эта рыночная ниша пока не занята, но является перспективной и наукоемкой, компания IQDEMY в качестве одной из научно-исследовательских задач своей химической лаборатории (Новосибирск) определила разработку оптимальной рецептуры уф-отверждаемых чернил и чернил на водной основе, содержащие квантовые точки.
Первые полученные образцы печати впечатляют и открывают дальнейшие перспективы практического освоения этой технологии:
| Статьи по теме: | |
|
Гадание на воске – правила, значение фигур
В статье собраны только лучшие из толкований и значения фигур для... Новолуние 8. Всё о новолунии. Здоровье и красота
Наблюдая за движением Луны можно заметить, что спутник нашей планеты в... Генерал-фельдмаршалы России Первый российский фельдмаршал он отличался тем что
Портреты высших чинов Российской империи. Генерал-фельдмаршалы. ПОРТРЕТ... | |
