Квантовите точки са нова технология за производство на дисплеи. Фотолуминесцентни квантови точки. Квантови точки и Samsung QLED

За да получите Главна идеяотносно свойствата на материалните обекти и законите, в съответствие с които „живее“ познатият на всички макрокосмос, изобщо не е необходимо да завършвате висше образование образователна институция, защото всеки ден всеки се сблъсква с техните прояви. Въпреки че в напоследъкВсе по-често се споменава принципът на сходството, чиито привърженици твърдят, че микро- и макросветът са много сходни, но все пак има разлика. Това е особено забележимо при много малки размери на тела и предмети. Квантовите точки, понякога наричани наноточки, са един от тези случаи.

По-малко по-малко

Да си припомним класическо устройствоатом, например водород. Той включва ядро, което поради наличието на положително зареден протон в него има плюс, т.е. +1 (тъй като водородът е първият елемент в периодичната таблица). Съответно на определено разстояние от ядрото има електрон (-1), образувайки електронна обвивка. Очевидно, ако увеличите стойността, това ще доведе до добавяне на нови електрони (запомнете: като цяло атомът е електрически неутрален).

Разстоянието между всеки електрон и ядрото се определя от енергийните нива на отрицателно заредените частици. Всяка орбита е постоянна; общата конфигурация на частиците определя материала. Електроните могат да прескачат от една орбита в друга, поглъщайки или освобождавайки енергия чрез фотони с една или друга честота. Най-отдалечените орбити съдържат електрони с максимално ниво на енергия. Интересното е, че самият фотон проявява двойна природа, като се определя едновременно като безмасова частица и електромагнитно излъчване.

Самата дума „фотон“ е от гръцки произход и означава „частица светлина“. Следователно може да се твърди, че когато един електрон промени своята орбита, той абсорбира (излъчва) квант светлина. В този случай е уместно да се обясни значението на друга дума - „квантов“. Всъщност няма нищо сложно. Думата идва от латинското „quantum“, което буквално се превежда като най-малка стойноствсякакви физическо количество(тук - радиация). Нека обясним с пример какво е квант: ако при измерване на теглото най-малкото неделимо количество е милиграм, тогава може да се нарече така. Ето как просто се обяснява един на пръв поглед сложен термин.

Обяснение на квантовите точки

Често в учебниците можете да намерите следното определение за наноточка - това е изключително малка частица от всякакъв материал, чиито размери са сравними с излъчената дължина на вълната на електрона (пълният спектър обхваща границата от 1 до 10 нанометра). Вътре в него стойността на единичния носител на отрицателен заряд е по-малка, отколкото отвън, така че електронът е ограничен в движенията си.

Терминът "квантови точки" обаче може да се обясни по различен начин. Електронът, погълнал фотон, се „издига“ на по-високо енергийно ниво и на негово място се образува „недостиг“ - така наречената дупка. Съответно, ако един електрон има заряд -1, то дупката има заряд +1. Опитвайки се да се върне към предишното си стабилно състояние, електронът излъчва фотон. Връзката на носителите на заряд "-" и "+" в този случай се нарича екситон и във физиката се разбира като частица. Размерът му зависи от нивото на погълната енергия (по-висока орбита). Квантовите точки са именно тези частици. Честотата на енергията, излъчвана от електрон, зависи директно от размера на частиците на даден материал и екситон. Струва си да се отбележи, че цветовото възприятие на светлината от човешкото око се основава на различни

LED, LCD, OLED, 4K, UHD... изглежда, че последното нещо, от което телевизионната индустрия се нуждае в момента, е още един технически акроним. Но прогресът не може да бъде спрян, запознайте се с още няколко букви - QD (или Quantum Dot). Нека веднага да отбележа, че терминът "квантови точки" във физиката има по-широко значение, отколкото се изисква за телевизорите. Но в светлината на настоящата мода за всичко нанофизично, търговците на големи корпорации с радост започнаха да прилагат това трудно научна концепция. Затова реших да разбера какъв вид квантови точки са това и защо всеки би искал да си купи QD телевизор.

Първо, малко наука в опростена форма. " Квантова точка" е полупроводник, чиито електрически свойства зависят от неговия размер и форма (wiki). Тя трябва да е толкова малка, че ефектите на квантовите размери да са ясно изразени. И тези ефекти се регулират от размера на точно тази точка, т.е. енергията на излъчен, например, фотон - всъщност цветът - зависи от "размерите", ако тази дума е приложима за такива малки обекти.

На още по-потребителски език, това са малки частици, които ще започнат да светят в определен спектър, ако бъдат осветени. Ако се нанесат и „втрият“ върху тънък филм, след което се осветят, филмът ще започне да свети ярко. Същността на технологията е, че размерът на тези точки се контролира лесно, което означава постигане на точен цвят.

Всъщност не е толкова важно какво име избират големите корпорации, основното е какво трябва да даде на потребителя. И тук обещанието е съвсем просто - подобрено цветопредаване. За да разберете по-добре как „квантовите точки“ ще осигурят това, трябва да запомните дизайна на LCD дисплея.

Светлина под кристала

LCD телевизор (LCD) се състои от три основни части: бяла подсветка, цветни филтри (разделящи светлината на червена, синя и зелени цветове) и течнокристална матрица. Последният изглежда като мрежа от малки прозорци - пиксели, които от своя страна се състоят от три субпиксела (клетки). Течните кристали, като щори, могат да блокират светлинния поток или, напротив, да се отворят напълно, има и междинни състояния.

Когато бялата светлина, излъчвана от светодиоди (LED), днес вече е трудно да се намери телевизор с луминесцентни лампи, както беше само преди няколко години), преминава например през пиксел, чиито зелени и червени клетки са затворени, тогава виждаме Син цвят. Променя се степента на „участие” на всеки RGB пиксел и така се получава цветно изображение.

Както разбирате, за да се гарантира качеството на цветовете на изображението, са необходими поне две неща: точни цветове на филтъра и правилна бяла подсветка, за предпочитане с широк спектър. Именно с последното светодиодите имат проблем.

Първо, те всъщност не са бели, освен това имат много тесен цветови спектър. Тоест ширината на спектъра на белия цвят се постига чрез допълнителни покрития - има няколко технологии, най-често се използват така наречените фосфорни диоди с добавка на жълто. Но този „квази-бял“ цвят все още не достига идеала. Ако го прекарате през призма (като в урок по физика в училище), той няма да се разложи на всички цветове на дъгата с еднакъв интензитет, както се случва със слънчевата светлина. Червеното, например, ще изглежда много по-тъмно от зеленото и синьото.

Инженерите разбираемо се опитват да коригират ситуацията и да измислят заобиколни решения. Например, можете да намалите нивата на зелено и синьо в настройките на телевизора, но това ще се отрази на общата яркост - картината ще стане по-бледа. Така че всички производители търсеха източник на бяла светлина, чието разпадане щеше да доведе до равномерен спектър с цветове с еднаква наситеност. Тук на помощ идват квантовите точки.

Квантови точки

Нека ви напомня, че ако говорим за телевизори, тогава „квантовите точки“ са микроскопични кристали, които луминесцират, когато светлината ги удари. Те могат да "горят" в много различни цветове, всичко зависи от размера на точката. И като се има предвид, че сега учените са се научили да контролират размерите им почти идеално, като променят броя на атомите, от които се състоят, е възможно да се получи блясък точно с цвета, който е необходим. Квантовите точки също са много стабилни - те не се променят, което означава, че точка, предназначена да свети в определен нюанс на червено, ще остане този нюанс почти завинаги.

Инженерите стигнаха до идеята да използват технологията, както следва: тънък филмнанесено е покритие с квантова точка, което е проектирано да свети в специфични нюанси на червено и зелено. И светодиодът е обикновен син. И тогава някой веднага ще познае: „всичко е ясно - има източник на синьо, а точките ще дадат зелено и червено, което означава, че ще получим същия RGB модел!“ Но не, технологията работи по различен начин.

Трябва да помним, че „квантовите точки“ са разположени на един голям лист и не са разделени на субпиксели, а просто са смесени. Когато син диод свети върху филма, точките излъчват червено и зелено, както беше споменато по-горе, и само когато и трите цвята се смесят, получавате идеален източникБяла светлина. И нека ви напомня, че висококачествената бяла светлина зад матрицата всъщност е равна на естественото цветопредаване за очите на зрителя от другата страна. Като минимум, защото не е нужно да правите корекции за загуба или изкривяване на спектъра.

Все пак е LCD телевизор

Широката цветова гама ще бъде особено полезна за новите 4K телевизори и 4:4:4 цветови субсемплиране, което ни очаква в бъдещите стандарти. Всичко това е добре, но не забравяйте, че квантовите точки не решават други проблеми с LCD телевизорите. Например, почти невъзможно е да се получи перфектно черно, тъй като течните кристали (същите „щори“, за които писах по-горе) не са в състояние напълно да блокират светлината. Те могат само да се „покрият“, но не и да се затворят напълно.

Квантовите точки са предназначени да подобрят възпроизвеждането на цветовете и това значително ще подобри впечатлението от картината. Но това не е OLED технология или плазма, където пикселите са в състояние напълно да спрат светлинния поток. въпреки това плазмени телевизориса пенсионирани и OLED все още е твърде скъп за повечето потребители, така че все пак е добре да знаем, че производителите скоро ще ни предложат нов вид LED телевизор, който ще показва по-добре.

Колко струва един „квантов телевизор“?

Първите QD телевизори от Sony, Samsung и LG са обещани да бъдат показани на CES 2015 през януари. Въпреки това китайската TLC Multimedia е пред кривата, те вече пуснаха 4K QD телевизор и казват, че е на път да се появи в магазините в Китай.

В момента е невъзможно да се назове точната цена на телевизорите с новата технология, чакаме официални изявления. Те написаха, че QD ще струват три пъти по-малко от OLED с подобна функционалност. Освен това технологията, както казват учените, е много евтина. Въз основа на това можем да се надяваме, че моделите с квантови точки ще бъдат широко достъпни и просто ще заменят конвенционалните. Мисля обаче, че в началото цените все още ще се повишават. Както обикновено се случва с всички нови технологии.

КУРСОВА РАБОТА

по дисциплина "Биомедицински преобразуватели и сензорни системи"

Квантови точки и биосензори на тяхна основа

Въведение. 3

Квантови точки. Главна информация. 5

Класификация на квантовите точки. 6

Фотолуминесцентни квантови точки. 9

Получаване на квантови точки. единадесет

Биосензори, използващи квантови точки. Перспективи за използването им в клинична диагностика. 13

Заключение. 15

Библиография. 16

Въведение.

Квантовите точки (КТ) са изолирани нанообекти, чиито свойства се различават значително от свойствата на насипен материал със същия състав. Веднага трябва да се отбележи, че квантовите точки са по-скоро математически модел, отколкото реални обекти. И това се дължи на невъзможността за образуване на напълно отделни структури - малките частици винаги взаимодействат с околната среда, намирайки се в течна среда или твърда матрица.

За да разберете какво представляват квантовите точки и тяхната електронна структура, представете си древногръцки амфитеатър. А сега си представете, че на сцената се разиграва вълнуващо представление и публиката е пълна с хора, дошли да гледат играта на актьорите. Така се оказва, че поведението на хората в театъра е в много отношения подобно на поведението на електроните на квантовата точка (QD). По време на представлението актьорите се движат из арената, без да влизат в публиката, а самите зрители наблюдават действието от местата си и не слизат на сцената. Арената са долните запълнени нива на квантовата точка, а зрителските редове са възбудените електронни нива с по-висока енергия. В този случай, както зрителят може да бъде на който и да е ред в залата, електронът може да заема всяко енергийно ниво на квантова точка, но не може да бъде разположен между тях. Купувайки билети за представлението от касата, всеки се стараеше да вземе най-много най-добрите места- възможно най-близо до сцената. Наистина, който иска да седи последен ред, откъдето дори с бинокъл не можете да видите лицето на актьора! Следователно, когато публиката е седнала преди началото на представлението, всички долни редове на залата са запълнени, точно както в стационарното състояние на КТ, който е с най-ниска енергия, долните енергийни нива са изцяло заети от електрони. По време на представлението обаче някой от зрителите може да напусне мястото си, например, защото музиката на сцената свири твърде силно или просто е бил хванат от неприятен съсед и да се премести на свободния горен ред. Ето как в квантовата точка електронът под въздействието на външно въздействие е принуден да премине на по-високо енергийно ниво, което не е заето от други електрони, което води до образуването на възбудено състояние на квантовата точка. Сигурно се чудите какво се случва с това празно пространство на енергийното ниво, където преди е бил електронът - така наречената дупка? Оказва се, че чрез зарядови взаимодействия електронът остава свързан с него и може да се върне във всеки един момент, както зрителят, който се е преместил, винаги може да промени решението си и да се върне на мястото, посочено на билета му. Двойка електрон-дупка се нарича „екситон“ от английска дума„развълнуван“, което означава „развълнуван“. Миграцията между енергийните нива на QD, подобно на изкачването или спускането на един от зрителите, е придружена от промяна в енергията на електрона, което съответства на абсорбцията или излъчването на квант светлина (фотон), когато електронът преминава съответно на по-високо или по-ниско ниво. Поведението на електроните в квантовата точка, описано по-горе, води до дискретен енергиен спектър, който не е характерен за макрообектите, за които КТ често се наричат ​​изкуствени атоми, в които нивата на електроните са дискретни.

Силата (енергията) на връзката между дупка и електрон определя радиуса на екситона, който е характерна стойност за всяко вещество. Ако размерът на частиците е по-малък от радиуса на екситона, тогава екситонът е ограничен в пространството от своя размер и съответната енергия на свързване се променя значително в сравнение с насипното вещество (вижте „ефект на квантовия размер“). Не е трудно да се досетите, че ако енергията на екситона се промени, тогава енергията на фотона, излъчен от системата, когато възбуденият електрон се премести на първоначалното си място, също се променя. По този начин, чрез получаване на монодисперсни колоидни разтвори на наночастици с различни размери, е възможно да се контролират енергиите на преходите в широк диапазон на оптичния спектър.

Квантови точки. Главна информация.

Първите квантови точки бяха метални наночастици, които бяха синтезирани през древен Египетза оцветяване на различни стъкла (между другото, рубинените звезди на Кремъл са получени по подобна технология), въпреки че по-традиционните и широко известни КТ са GaN полупроводникови частици, отгледани върху субстрати и колоидни разтвори на нанокристали CdSe. В момента има много известни начини за получаване на квантови точки, например те могат да бъдат „изрязани“ от тънки слоеве полупроводникови „хетероструктури“ с помощта на „нанолитография“ или могат да бъдат спонтанно формирани под формата на наноразмерни включвания на структури от един вид полупроводников материал в матрицата на друг. С помощта на метода „молекулярно-лъчева епитаксия“, със значителна разлика в параметрите на единичната клетка на субстрата и отложения слой, е възможно да се постигне растеж на пирамидални квантови точки върху субстрата, за изследване на свойствата на с която е награден акад. Ж.И.Алферов Нобелова награда. Чрез контролиране на условията на процесите на синтез, теоретично е възможно да се получат квантови точки с определени размери с определени свойства.

Квантовите точки се предлагат както като ядра, така и като хетероструктури ядро-обвивка. Поради малкия си размер КТ имат свойства, различни от тези на обемните полупроводници. Пространственото ограничение на движението на носители на заряд води до ефект на квантовата големина, изразен в дискретната структура на електронните нива, поради което КТ понякога се наричат ​​„изкуствени атоми“.

В зависимост от техния размер и химичен състав, квантовите точки проявяват фотолуминесценция във видимия и близкия инфрачервен диапазон. Благодарение на тяхната висока еднородност на размера (повече от 95%), предложените нанокристали имат тесни емисионни спектри (полуширина на флуоресцентния пик 20-30 nm), което осигурява феноменална чистота на цвета.

Квантовите точки могат да бъдат доставени като разтвори в неполярни органични разтворителикато хексан, толуен, хлороформ или под формата на сухи прахове.

QD са все още „млад“ обект на изследване, но широките перспективи за тяхното използване при проектирането на лазери и дисплеи от ново поколение вече са доста очевидни. Оптичните свойства на КТ се използват в най-неочакваните области на науката, които изискват регулируеми луминесцентни свойства на материала; например в медицинските изследвания е възможно да се „осветят“ болни тъкани с тяхна помощ.

Класификация на квантовите точки.

Колоидният синтез на квантовите точки представлява широки възможностикакто при получаване на квантови точки на базата на различни полупроводникови материали, така и на квантови точки с различни геометрии (форми). Не по-малко важна е възможността за синтезиране на квантови точки, съставени от различни полупроводници. Колоидните квантови точки ще се характеризират със състав, размер и форма.

1. Състав на квантовата точка (полупроводников материал)

На първо място, квантовите точки представляват практически интерес като луминесцентни материали. Основните изисквания към полупроводниковите материали, на базата на които се синтезират квантовите точки, са следните. На първо място, това е характерът на спектъра на лентата с директна празнина - той осигурява ефективна луминесценция, и второ, ниската ефективна маса на носителите на заряд - проявата на квантово-размерни ефекти в доста широк диапазон от размери (разбира се, по стандартите на нанокристалите). Могат да се разграничат следните класове полупроводникови материали. Широкозонови полупроводници (оксиди ZnO, TiO2) - ултравиолетов диапазон. Средночестотни полупроводници (A2B6, например кадмиеви халкогениди, A3B5) - видим диапазон.

Диапазони на промени в ефективната забранена зона на квантовите точки при

промяна на размера от 3 до 10 nm.

Фигурата показва възможността за промяна на ефективната ширина на забранената зона за най-разпространените полупроводникови материали под формата на нанокристали с размер в диапазона 3-10 nm. От практическа гледна точка важни оптични диапазони са видими 400-750 nm, близо IR 800-900 nm - прозорец за прозрачност на кръвта, 1300-1550 nm - телекомуникационен обхват

1. Форма на квантовата точка

Освен състава и размера, тяхната форма ще окаже сериозно влияние върху свойствата на квантовите точки.

- Сферични(директно квантови точки) - повечето отквантови точки. В момента те имат най-голямо практическо приложение. Най-лесният за производство.

- Елипсоидална(nanorods) - нанокристали, удължени в една посока.

Коефициент на елиптичност 2-10. Посочените граници са произволни. От практическа гледна точка този клас квантови точки се използват като източници на поляризирано лъчение. При високи коефициенти на елиптичност >50, този тип нанокристали често се наричат ​​нанопроводници.

- Нанокристали със сложна геометрия(напр. четириноги). Може да се синтезира достатъчно разнообразие от форми - кубични, звездички и др., както и разклонени структури. От практическа гледна точка тетраподите могат да намерят приложения като молекулярни превключватели. В момента те представляват предимно академичен интерес.

1. Многокомпонентни квантови точки

Методите на колоидната химия позволяват да се синтезират многокомпонентни квантови точки от полупроводници с различни характеристики, предимно с различни пропуски в лентата. Тази класификация е в много отношения подобна на тази, която традиционно се използва в полупроводниците.

Допирани квантови точки

По правило количеството въведени примеси е малко (1-10 атома на квантова точка със среден брой атоми в квантова точка 300-1000). Електронната структура на квантовата точка не се променя; взаимодействието между атома на примеса и възбуденото състояние на квантовата точка има диполен характер и се свежда до прехвърляне на възбуждане. Основните легиращи примеси са манган, мед (луминесценция във видимия диапазон).

Квантови точки на базата на твърди разтвори.

За квантовите точки е възможно образуването на твърди разтвори на полупроводници, ако се наблюдава взаимната разтворимост на материалите в насипно състояние. Както в случая с обемните полупроводници, образуването на твърди разтвори води до модификация на енергийния спектър - ефективни характеристикиса суперпозиция на стойности за отделни полупроводници. Този подход ви позволява да промените ефективната забранена лента при фиксиран размер - осигурявайки друг начин за контролиране на характеристиките на квантовите точки.

Квантови точки, базирани на хетеропреходи.

Този подход се прилага в квантови точки от типа ядро-обвивка (ядрото е направено от един полупроводник, обвивката е направена от друг). Като цяло, това включва образуването на контакт между две части от различни полупроводници. По аналогия с класическата теория на хетеропреходите могат да се разграничат два вида квантови точки ядро-обвивка.

Фотолуминесцентни квантови точки.

От особен интерес са фотолуминесцентните квантови точки, при които абсорбцията на фотон произвежда двойки електрон-дупка, а рекомбинацията на електрони и дупки причинява флуоресценция. Такива квантови точки имат тесен и симетричен пик на флуоресценция, чиято позиция се определя от техния размер. По този начин, в зависимост от техния размер и състав, КТ могат да флуоресцират в UV, видимата или инфрачервената област на спектъра.

Квантовите точки на базата на кадмиеви халкогениди флуоресцират в различни цветове в зависимост от техния размер

Например квантови точки ZnS, CdSИ ZnSeфлуоресцират в UV областта, CdSeИ CdTeвъв видимото и PbS, PbSeИ PbTeв близката инфрачервена област (700-3000 nm). В допълнение, от горните съединения е възможно да се създадат хетероструктури, чиито оптични свойства могат да се различават от тези на оригиналните съединения. Най-популярното е да се изгради обвивка на полупроводник с по-широка междина върху ядро ​​от полупроводник с тясна междина, например върху ядро CdSeрастат черупка от ZnS :

Модел на структурата на квантова точка, състояща се от CdSe ядро, покрито с епитаксиална обвивка от ZnS (структурен тип сфалерит)

Тази техника позволява значително да се увеличи стабилността на КТ към окисление, както и значително да се увеличи квантовият добив на флуоресценция чрез намаляване на броя на дефектите на повърхността на ядрото. Отличително свойство на КТ е непрекъснат спектър на абсорбция (флуоресцентно възбуждане) в широк диапазон от дължини на вълните, което също зависи от размера на КТ. Това прави възможно едновременното възбуждане на различни квантови точки при една и съща дължина на вълната. В допълнение, КТ имат по-висока яркост и по-добра фотостабилност в сравнение с традиционните флуорофори.

Такива уникални оптични свойства на квантовите точки отварят широки перспективи за тяхното използване като оптични сензори, флуоресцентни маркери, фотосенсибилизатори в медицината, както и за производството на фотодетектори в инфрачервената област, слънчеви клетки висока ефективност, субминиатюрни светодиоди, източници на бяла светлина, едноелектронни транзистори и нелинейни оптични устройства.

Получаване на квантови точки

Има два основни метода за производство на квантови точки: колоиден синтез, осъществяван чрез смесване на прекурсори „в колба“, и епитаксия, т.е. ориентиран растеж на кристали върху повърхността на субстрата.

Първият метод (колоиден синтез) се осъществява в няколко варианта: при висока или стайна температура, в инертна атмосфера в органични разтворители или във воден разтвор, със или без органометални прекурсори, със или без молекулни клъстери за улесняване на нуклеацията. Използва се и високотемпературен химичен синтез, извършван в инертна атмосфера чрез нагряване на неорганометални прекурсори, разтворени във висококипящи органични разтворители. Това прави възможно получаването на квантови точки с еднакъв размер с висок квантов добив на флуоресценция.

В резултат на колоиден синтез се получават нанокристали, покрити със слой от адсорбирани повърхностноактивни молекули:

Схематична илюстрация на колоидна квантова точка ядро-обвивка с хидрофобна повърхност. Ядрото на полупроводник с тясна междина (например CdSe) е показано в оранжево, обвивката на полупроводник с широка междина (например ZnS) е показана в червено, а органичната обвивка на молекулите на повърхностно активното вещество е показана в черно.

Благодарение на хидрофобната органична обвивка, колоидните квантови точки могат да бъдат разтворени във всякакви неполярни разтворители и, с подходяща модификация, във вода и алкохоли. Друго предимство на колоидния синтез е възможността за получаване на квантови точки в количества под килограм.

Вторият метод (епитаксия) - образуването на наноструктури върху повърхността на друг материал, като правило, включва използването на уникално и скъпо оборудване и в допълнение води до производството на квантови точки, „завързани“ към матрицата. Методът на епитаксия е труден за мащабиране до индустриално ниво, което го прави по-малко привлекателен за масово производство на квантови точки.

Биосензори, използващи квантови точки. Перспективи за използването им в клиничната диагностика.

Квантова точка - много малък физически обект, чийто размер е по-малък от радиуса на екситона на Бор, което води до появата на квантови ефекти, например силна флуоресценция.

Предимството на квантовите точки е, че те могат да бъдат възбудени от един източник на радиация. В зависимост от диаметъра си светят различна светлина, а квантовите точки от всички цветове се възбуждат от един източник.

В Института по биоорганична химия на името на. Академиците М.М. Шемякин и Ю.А. Овчинников RAS произвежда квантови точки под формата на колоидни нанокристали, което им позволява да се използват като флуоресцентни етикети. Те са много ярки, дори с обикновен микроскоп се виждат отделни нанокристали. В допълнение, те са фотоустойчиви - могат да светят дълго време, когато са изложени на радиация. висока плътностмощност.

Друго предимство на квантовите точки е, че в зависимост от материала, от който са направени, е възможно да се получи флуоресценция в инфрачервения диапазон, където биологичните тъкани са най-прозрачни. Освен това тяхната флуоресцентна ефективност е несравнима с други флуорофори, което им позволява да се използват за визуализиране на различни образувания в биологични тъкани.

С помощта на примера за диагностициране на автоимунно заболяване - системна склероза (склеродермия) - беше демонстрирана възможността за квантови точки в клиничната протеомика. Диагнозата се основава на запис на автоимунни антитела.

При автоимунни заболявания собствените протеини на тялото започват да влияят върху собствените си биологични обекти (на клетъчни стении др.), което причинява тежка патология. В същото време в биологичните течности се появяват автоимунни антитела, от които се възползват, за да извършат диагностика и да открият автоантитела.

Има редица антитела срещу склеродермия. Диагностичните възможности на квантовите точки бяха демонстрирани на примера на две антитела. Антигени към автоантитела се нанасят върху повърхността на полимерни микросфери, съдържащи квантови точки с даден цвят (всеки антиген има свой собствен цвят на микросферата). Тестваната смес съдържа освен микросфери и вторични антитела, свързани със сигнален флуорофор. След това към сместа се добавя проба и ако тя съдържа желаното автоантитяло, в сместа се образува комплекс микросфера - автоантитела - сигнален флуорофор.

По същество автоантителото е линкер, който свързва микросфера с определен цвят със сигнален флуорофор. След това тези микросфери се анализират с помощта на поточна цитометрия. Появата на едновременен сигнал от микросферата и сигналния флуорофор е доказателство, че е настъпило свързване и на повърхността на микросферата се е образувал комплекс, включващ вторични антитела със сигналния флуорофор. В този момент микросферичните кристали и сигналният флуорофор, който беше свързан с вторичното антитяло, действително светнаха.

Едновременната поява на двата сигнала показва, че сместа съдържа откриваема мишена - автоантитело, което е маркер на заболяването. Това е класически метод на регистрация „сандвич“, когато има две молекули за разпознаване, т.е. Доказана е възможността за едновременен анализ на няколко маркера, което е в основата на високата надеждност на диагнозата и възможността за създаване на лекарства, които могат да открият заболяването в ранен стадий.

Използвайте като биотагове.

Създаването на флуоресцентни етикети на базата на квантови точки е много обещаващо. Могат да се разграничат следните предимства на квантовите точки пред органичните багрила: способността да се контролира дължината на вълната на луминесценцията, висок коефициент на екстинкция, разтворимост в широк диапазон от разтворители, стабилност на луминесценцията към околната среда, висока фотостабилност. Можем да отбележим и възможността за химическа (или още повече биологична) модификация на повърхността на квантовите точки, позволяваща селективно свързване с биологични обекти. Дясната снимка показва оцветяването на клетъчни елементи с помощта на водоразтворими квантови точки, които луминесцират във видимия диапазон. Лявата фигура показва пример за употреба неразрушителен методоптична томография. Снимката е направена в близкия инфрачервен диапазон с помощта на квантови точки с луминесценция в диапазона 800-900 nm (прозорецът на прозрачност на топлокръвната кръв), въведени в мишка.

Фиг.21. Използване на квантови точки като биотагове.

Заключение.

В момента медицинските приложения, използващи квантови точки, все още са ограничени, поради факта, че ефектът на наночастиците върху човешкото здраве не е достатъчно проучен. Използването им в диагностиката обаче опасни заболяванияизглежда много обещаващо; по-специално на тяхна основа е разработен метод за имунофлуоресцентен анализ. А при лечението на онкологични заболявания например вече се използва методът на т. нар. фотодинамична терапия. Наночастиците се инжектират в тумора, след това се облъчват и след това тази енергия се прехвърля от тях към кислород, който преминава във възбудено състояние и "изгаря" тумора отвътре.

Биолозите казват, че е лесно да се проектират квантови точки, които реагират на всяка дължина на вълната, като близкия инфрачервен спектър. Тогава ще бъде възможно да се намерят тумори, скрити дълбоко в тялото.

В допълнение, някои наночастици могат да дадат характерен отговор при магнитно резонансно изображение.

Бъдещите планове на изследователите изглеждат още по-примамливи. Новите квантови точки, свързани с набор от биомолекули, не само ще намерят и посочат тумор, но и ще доставят нови поколения лекарства точно на мястото.

Възможно е това конкретно приложение на нанотехнологията да бъде най-близо до практическото и масово прилагане на това, което сме виждали в лабораториите в последните години.

Друго направление е оптоелектрониката и нови видове светодиоди - икономични, миниатюрни, ярки. Тук се използват предимствата на квантовите точки, като тяхната висока фотостабилност (която гарантира дългосрочна работа на устройствата, създадени на тяхна база) и възможността за осигуряване на всякакъв цвят (с точност до един или два нанометра по скалата на дължината на вълната) и всяка цветова температура (от 2 градуса Келвин до 10 хиляди и повече). В бъдеще светодиодите могат да се използват за направата на дисплеи за монитори – много тънки, гъвкави, с висок контраст на изображението.

Библиография.

1. http://www.nanometer.ru/2007/06/06/quantum_dots_2650.html

1. Тананаев П.Н., Дорофеев С.Г., Василиев Р.Б., Кузнецова Т.А.. Получаване на нанокристали CdSe, легирани с мед // Неорганични материали. 2009. Т. 45. № 4. С. 393-398.
2. Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. Флуоресцентни полупроводникови нанокристали

по биология и медицина // Нано. - 2007. - С. 160 173.

1. Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. Рациометричен CdSe/ZnS нанокристален pH сензор // J. Am. Chem. Soc.. - 2006. - V. 128. P. 13320 13321.
2. Кулбачински В. А. Полупроводникови квантови точки // Образователно списание на Сорос. - 2001. - Т. 7. - № 4. - стр. 98 - 104.

Изтегли:
Нямате достъп за изтегляне на файлове от нашия сървър.

Най-важният обект във физиката на нискоразмерните полупроводникови хетероструктури са така наречените квазинулевомерни системи или квантови точки. дайте точно определениеКвантовите точки са доста трудни. Това се дължи на факта, че във физическата литература квантовите точки се отнасят до широк клас системи с квази-нулево измерение, в които се проявява ефектът от квантуването на размера на енергийните спектри на електрони, дупки и екситони. Този клас основно включва полупроводникови кристали, в които и трите пространствени измерения са от порядъка на радиуса на екситона на Бор в обемен материал. Това определениепредполага, че квантовата точка е във вакуумна, газова или течна среда или е ограничена до някакъв твърд материал, различен от материала, от който е направена. В този случай триизмерното пространствено ограничение на елементарните възбуждания в квантовите точки се дължи на наличието на интерфейси между различни материали и среди, т.е. съществуването на хетероинтерфейси. Такива квантови точки често се наричат ​​микро- или нанокристали. Това просто определение обаче не е пълно, тъй като има квантови точки, за които няма хетероинтерфейси в едно или две измерения. Въпреки това движението на електрони, дупки или екситони в такива квантови точки е пространствено ограничено поради наличието на потенциални ямки, които възникват например поради механични напрежения или колебания в дебелината на полупроводниковите слоеве. В този смисъл можем да кажем, че квантовата точка е всяка триизмерна потенциална яма, запълнена с полупроводников материал, с характерни размери от порядъка, в която движението на електрони, дупки и екситони е пространствено ограничено в три измерения.

Методи за производство на квантови точки

Сред разнообразието от различни квантови точки могат да се разграничат няколко основни вида, които най-често се използват в експериментални изследванияи приложения. На първо място, това са нанокристали в течности, стъкла и матрици от широкозонни диелектрици (фиг. 1). Ако се отглеждат в стъклени матрици, те обикновено имат сферична форма. Именно в такава система, която се състои от CuCl квантови точки, вградени в силикатни стъкла, ефектът от триизмерното квантуване на размера на екситоните е открит за първи път при изследване на еднофотонна абсорбция. Тази работа бележи началото на бързото развитие на физиката на квазинулевомерните системи.

Фиг. 1.

Квантовите точки в кристална диелектрична матрица могат да бъдат правоъгълни паралелепипеди, какъвто е случаят с базираните на CuCl квантови точки, вградени в NaCl. Нанокристалите също са квантови точки, отгледани в полупроводникови матрици чрез капкова епитаксия.

На другите важен типКвантовите точки са така наречените самоорганизирани квантови точки, които се произвеждат по метода на Странски-Кръстанов чрез техниката на молекулярно-лъчева епитаксия (фиг. 2). Техен отличителна чертае, че те са свързани помежду си чрез ултратънък омокряем слой, чийто материал съвпада с материала на квантовите точки. По този начин на тези квантови точки липсва един от хетероинтерфейсите. Този тип по принцип може да включва порести полупроводници, например порест Si, както и потенциални ямки в тънки полупроводникови слоеве, които възникват поради колебания в дебелината на слоевете.

Фиг.2.

Фиг.3. Структура с индуцирани от механичен стрес InGaAs квантови точки. 1 - покриващ слой GaAs; 2 - самоорганизирани InP квантови точки, които задават механични напрежения, водещи до появата на триизмерни потенциални ямки в слоя InGaAs; 3 и 6 - GaAs буферни слоеве; 4 - тънка квантова яма InGaAs, в която се образуват квантови точки, предизвикани от механичен стрес; 5 - квантови точки; 7 - GaAs подложка. Пунктираните линии показват профили на механично напрежение.

Квантовите точки, предизвикани от механичен стрес, могат да бъдат класифицирани като трети тип (фиг. 3). Те се образуват в тънки полупроводникови слоеве поради механични напрежения, които възникват поради несъответствие на константите на решетката на хетероинтерфейсните материали. Тези механични напрежения водят до появата на триизмерна потенциална яма за електрони, дупки и екситони в тънък слой. От фиг. 3. Ясно е, че такива квантови точки нямат хетероинтерфейси в две посоки.

„Нанотехнологии“ е дума със сложна история и контекст в руския език, който за съжаление е леко дискредитиран. Ако обаче пренебрегнем ироничните социално-икономически нюанси, можем да заявим, че през последните години нанотехнологиите започнаха да се развиват от научна и теоретична концепция във форми, които в обозримо бъдеще могат да се превърнат в реални търговски продукти и да навлязат в живота ни.

Чудесен пример за това са квантовите точки. Технологиите, използващи полупроводникови наночастици, постепенно намират приложение в съвсем различни области: медицина, печат, фотоволтаици, електроника – някои от продуктите все още съществуват на ниво прототип, на места технологията е частично внедрена, а някои вече се използват в практиката.

И така, какво е „квантова точка“ и с какво се яде?

Квантовата точка е нанокристал от неорганичен полупроводников материал (силиций, индиев фосфид, кадмиев селенид). „Нано“ означава измерено в части на милиард, а размерите на такива кристали варират от 2 до 10 нанометра. Поради малкия си размер, електроните в наночастиците се държат много различно от тези в обемните полупроводници.

Енергийният спектър на квантовата точка е разнороден; има отделни енергийни нива за електрон (отрицателно заредена частица) и дупка. Дупката в полупроводниците е незапълнена валентна връзка, носител на положителен заряд, числено равен на електрон, появява се, когато връзката между ядрото и електрона е прекъсната.

Ако се създадат условия, при които носителят на заряд в кристала се движи от ниво на ниво, тогава по време на този преход се излъчва фотон. Чрез промяна на размера на частиците можете да контролирате честотата на поглъщане и дължината на вълната на това лъчение. На практика това означава, че в зависимост от размера на частиците на точката при облъчване те ще светят в различни цветове.

Възможността да се контролира дължината на вълната на радиацията чрез размера на частиците прави възможно получаването на стабилни вещества от квантови точки, които преобразуват енергията, която абсорбират, в светлинно лъчение - фотостабилни луминофори.

Решенията, базирани на квантови точки, превъзхождат традиционните органични и неорганични фосфори в редица параметри, важни за тези области практическо приложение, при които се изисква прецизна регулируема луминесценция.

Предимства на квантовите точки:

• Фотостабилни, запазват флуоресцентни свойства в продължение на няколко години.
• Висока устойчивост на фотоизбледняване: 100 – 1000 пъти по-висока от тази на органичните флуорофори.
• Висок квантов добив на флуоресценция – до 90%.
• Широк спектър на възбуждане: от UV до IR (400 – 200 nm).
• Висока чистота на цвета поради високи пикове на флуоресценция (25-40 nm).
• Висока устойчивост на химическо разграждане.

Друго предимство, особено за печат, е, че квантовите точки могат да се използват за получаване на золи - високо диспергирани колоидни системи с течна среда, в която са разпределени малки частици. Това означава, че те могат да се използват за производство на решения, подходящи за мастиленоструен печат.

Области на приложение на квантовите точки:

Защита на документи и продукти от фалшификация:ценни книжа, банкноти, лични карти, печати, печати, сертификати, сертификати, пластмасови карти, търговски марки. Многоцветна система за кодиране, базирана на квантови точки, може да бъде търговско търсена за цветно маркиране на продукти в хранителната, фармацевтичната, химическата промишленост, бижута и произведения на изкуството.

Поради факта, че течната основа може да бъде на водна основа или UV-втвърдяваща се, с помощта на мастило с квантови точки можете да маркирате почти всеки предмет - за хартия и други абсорбиращи основи - мастило на водна основа, а за неабсорбиращи (стъкло). , дърво, метал, синтетични полимери, композити) – UV мастило.

Маркер в медицинските и биологични изследвания.Поради факта, че биологични маркери, фрагменти от ДНК и РНК, които реагират на специфичен тип клетка, могат да бъдат нанесени върху повърхността на квантовите точки, те могат да се използват като контраст в биологичните изследвания и диагностиката на рак в ранните стадии , когато туморът все още не е открит чрез стандартните диагностични методи.

Използването на квантови точки като флуоресцентни етикети за изследване на туморни клетки in vitro е една от най-обещаващите и бързо развиващи се области на приложение на квантовите точки в биомедицината.

Единственото нещо, което възпрепятства масовото приемане на тази технология, е въпросът за безопасността на използването на контрасти с квантови точки в in vivo изследвания, тъй като повечето от тях са направени от много токсични материали и размерите са толкова малки, че лесно проникват през всякакви телесни бариери.

Дисплеи с квантова точка: QLED – технологията за създаване на LCD дисплеи с LED подсветка с помощта на квантови точки вече е тествана от водещи производители на електроника. Използването на тази технология позволява да се намали консумацията на енергия на дисплея, да се увеличи светлинният поток в сравнение с LED екраните с 25-30%, по-богати цветове, ясно предаване на цветовете, дълбочина на цветовете и възможността да се направят екрани ултратънки и гъвкави.

Прототипът на първия дисплей, използващ тази технология, беше представен от Samsung през февруари 2011 г., а първият компютърен дисплей беше пуснат от Philips.

Той използва квантови точки, за да произвежда червени и зелени цветове от емисионния спектър на сините светодиоди, което гарантира предаване на цветовете, близко до естественото. През 2013 г. Sony пусна QLED екран, който работи на същия принцип. В момента тази технология за производство на големи екрани не се използва широко поради високата себестойност на производството.

Лазер с квантови точки.Лазер, чиято работна среда са квантови точки в излъчващата област, има редица предимства в сравнение с традиционните полупроводникови лазери, базирани на квантови ямки. Те имат по-добри характеристикипо отношение на честотната лента, интензитета на шума, те са по-малко чувствителни към температурни промени.

Поради факта, че промяната на състава и размера на квантовата точка позволява да се контролира активната среда на такъв лазер, стана възможно да се работи на дължини на вълните, които преди това бяха недостъпни. Тази технология се използва активно на практика в медицината, с нейна помощ е създаден лазерен скалпел.

Енергия

Няколко модела на тънкослойни слънчеви клетки също са разработени на базата на квантови точки. Те се основават на следния принцип на действие: фотони от светлина удрят фотоволтаичен материал, съдържащ квантови точки, стимулирайки появата на двойка електрон и дупка, чиято енергия е равна или надвишава минималната енергия, необходима за електрон от даден полупроводник, за да премине от свързано състояние в свободно. Чрез промяна на размера на нанокристалите на материала е възможно да се променя „енергийната производителност“ на фотоволтаичния материал.

На базата на този принцип вече са създадени няколко оригинални работещи прототипа на различни видове соларни панели.

През 2011 г. изследователи от университета Нотр Дам предложиха базирана на титанов диоксид „слънчева боя“, която, когато се приложи, може да превърне всеки обект в слънчева клетка. Той има доста ниска ефективност (само 1%), но е евтин за производство и може да се произвежда в големи количества.

През 2014 г. учени от Масачузетския технологичен институт представиха метод за направата слънчеви клеткиот ултратънки слоеве квантови точки, ефективността на тяхното развитие е 9%, а основното ноу-хау се крие в технологията за комбиниране на квантови точки във филм.

През 2015 г. Лабораторията на Центъра напреднали технологиислънчеви фотоволтаици в Лос Аламос предложи своя проект за прозоречни слънчеви батерии с ефективност от 3,2%, състоящ се от прозрачен луминесцентен квантов концентратор, който може да заема доста голяма площ, и компактни слънчеви фотоклетки.

Но изследователи от Американската национална лаборатория за възобновяема енергия (NREL), в търсене на оптималната комбинация от метали за производство на клетка с максимална квантова ефективност, създадоха истински рекордьор по производителност - вътрешната и външната квантова ефективност на тяхната батерия при тестове беше 114 % и съответно 130%.

Тези параметри не са ефективността на батерията, която сега показва сравнително малък процент - само 4,5%, но оптимизирането на събирането на фото поток не беше ключовата цел на изследването, което се състоеше само в избора на най-ефективната комбинация от елементи . Заслужава обаче да се отбележи, че преди експеримента NREL никоя батерия не е демонстрирала квантова ефективност, по-голяма от 100%.

Както виждаме, потенциалните области на практическо приложение на квантовите точки са широки и разнообразни, теоретичните разработки се извършват в няколко посоки едновременно. Масовото им въвеждане в различни области е затруднено от редица ограничения: високата цена на производството на самите точки, тяхната токсичност, несъвършенството и икономическата нецелесъобразност на самата производствена технология.

В съвсем близко бъдеще система за цветно кодиране и маркиране с мастило, базирана на квантови точки, може да стане широко разпространена. Осъзнавайки, че тази пазарна ниша все още не е заета, но е обещаваща и интензивна на знания, компанията IQDEMY, като една от изследователските задачи на своята химическа лаборатория (Новосибирск), идентифицира разработването на оптимална формула на UV-втвърдяващо се мастило и мастило на водна основа, съдържащо квантови точки.

Първите получени образци за печат са впечатляващи и отварят нови перспективи за практическо развитие на тази технология: