Kvantová bodka. Quantum dots – nová zobrazovacia technológia
Kvantové bodky a prečo sú umiestnené
- kvantové technológie,
- Monitory a TV
Dobrý čas dňa, únoscovia! Myslím, že mnohí si všimli, že čoraz viac reklám sa začalo objavovať na displeje založené na technológii kvantových bodov, takzvané QD - LED (QLED) displeje a napriek tomu, tento moment je to len marketing. Podobne ako v prípade LED TV a Retina ide o technológiu LCD displeja, ktorá využíva ako podsvietenie kvantové bodky LED.
Váš pokorný služobník sa rozhodol prísť na to, čo je kvantové bodky a s tým, čo jedia.
Namiesto predstavenia
Kvantová bodka- fragment vodiča alebo polovodiča, ktorého nosiče náboja (elektróny alebo diery) sú priestorovo obmedzené vo všetkých troch rozmeroch. Veľkosť kvantovej bodky musí byť taká malá, aby kvantové efekty boli významné. To sa dosiahne, ak je kinetická energia elektrónu zreteľne väčšia ako všetky ostatné energetické stupnice: v prvom rade je väčšia ako teplota vyjadrená v energetických jednotkách. Kvantové bodky prvýkrát syntetizovali začiatkom 80. rokov Alexej Yekimov v sklenenej matrici a Louis E. Brus v koloidných roztokoch. Termín „kvantová bodka“ vymyslel Mark Read.Energetické spektrum kvantovej bodky je diskrétne a vzdialenosť medzi stacionárnymi energetickými hladinami nosiča náboja závisí od veľkosti samotnej kvantovej bodky ako - ħ / (2md ^ 2), kde:
- ħ - znížená Planckova konštanta;
- d - charakteristická veľkosť bodu;
- m - efektívna hmotnosť elektrón v bode
Napríklad pri prechode elektrónu na energetická úroveň dole je vyžarovaný fotón; keďže môžete upraviť veľkosť kvantovej bodky, môžete zmeniť aj energiu emitovaného fotónu, a teda zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou.
Typy kvantových bodov
Existujú dva typy:- epitaxné kvantové bodky;
- koloidné kvantové bodky.
Konštrukcia Quantum Dot
Kvantová bodka je zvyčajne polovodičový kryštál, v ktorom sa realizujú kvantové efekty. Elektrón v takomto kryštáli sa cíti ako v trojrozmernej potenciálovej studni a má veľa stacionárnych energetických úrovní. V súlade s tým môže kvantová bodka pri prechode z jednej úrovne na druhú emitovať fotón. Pri tom všetkom sa dajú prechody jednoducho ovládať zmenou rozmerov kryštálu. Je tiež možné preniesť elektrón na vysokú energetickú hladinu a prijať žiarenie z prechodu medzi nižšie položenými hladinami a v dôsledku toho získame luminiscenciu. V skutočnosti to bolo pozorovanie tohto javu, ktoré slúžilo ako prvé pozorovanie kvantových bodiek.Teraz o displejoch
História plnohodnotných displejov sa začala vo februári 2011, keď spoločnosť Samsung Electronics odhalila vývoj plnofarebného displeja založeného na kvantových bodoch QLED. Bol to 4" displej s aktívnou maticou. každý farebný pixel s kvantovou bodkou je možné zapnúť a vypnúť pomocou tenkovrstvového tranzistora.Na vytvorenie prototypu sa na silikónovú dosku nanesie vrstva roztoku kvantových bodiek a nastrieka sa rozpúšťadlo. Potom sa do vrstvy kvantových bodiek vtlačí gumená pečiatka s hrebeňovým povrchom, ktorá sa oddelí a vytlačí na sklo alebo pružný plast. Takto sa pásy kvantových bodiek nanášajú na substrát. Vo farebných displejoch obsahuje každý pixel červený, zelený alebo modrý subpixel. V súlade s tým sa tieto farby používajú v rôznych intenzitách, aby sa získali čo najlepšie viac odtiene.
Ďalším krokom vo vývoji bolo zverejnenie článku vedcami z Indického vedeckého inštitútu v Bangalore. Kde boli popísané kvantové bodky, ktoré luminiscujú nielen oranžovou, ale aj v rozsahu od tmavozelenej po červenú.
Prečo je LCD horší?
Hlavný rozdiel medzi QLED displejom a LCD je v tom, že LCD dokáže pokryť len 20-30% farebného rozsahu. V QLED TV tiež nie je potrebné používať vrstvu so svetelnými filtrami, keďže kryštály, keď je na ne privedené napätie, vyžarujú svetlo vždy s jasne definovanou vlnovou dĺžkou a v dôsledku toho s rovnakou hodnotou farby.
Objavili sa aj správy o predaji kvantového bodového počítačového displeja v Číne. Žiaľ, na vlastné oči som to na rozdiel od televízora nemal možnosť skontrolovať.
P.S. Za zmienku stojí, že oblasť použitia kvantových bodov sa neobmedzuje len na LED monitory, okrem iného ich možno použiť v tranzistoroch s efektom poľa, fotobunkách, laserových diódach a možnosti ich aplikácie v medicíne a kvantovej výpočtovej technike. sa tiež študuje.
P.P.S. Ak sa budeme baviť o mojom osobnom názore, tak verím, že najbližších desať rokov nebudú populárne, nie preto, že by boli málo známe, ale preto, že ceny za tieto displeje sú nebetyčné, no aj tak chcem dúfať, že kvantum body nájdu svoje uplatnenie v medicíne, a poslúžia nielen na zvýšenie zisku, ale aj na dobré účely.
Značky:
- QLED
- LED
- Kvantový displej
„Nanotechnológia“ je slovo so zložitou históriou a kontextom v ruskom jazyku, žiaľ, mierne zdiskreditované. Ak však pominieme ironický sociálno-ekonomický podtext, tak môžeme konštatovať, že nanotechnológie za posledné roky z vedeckého a teoretického konceptu začali nadobúdať podoby, ktoré sa v dohľadnej dobe môžu stať skutočnými komerčnými produktmi a vstúpiť do našich životov.
Skvelým príkladom sú kvantové bodky. Technológie využívajúce polovodičové nanočastice postupne nachádzajú uplatnenie v úplne rôznych oblastiach: medicína, polygrafia, fotovoltaika, elektronika - niektoré produkty ešte existujú na úrovni prototypov, niekde je technológia čiastočne implementovaná a niektoré sú už prakticky používané.
Čo je teda „kvantová bodka“ a „s čím sa jedáva“?
Kvantová bodka je nanokryštál anorganického polovodičového materiálu (kremík, fosfid india, selenid kadmia). "Nano" znamená merané v miliardtinách, veľkosti takýchto kryštálov sa pohybujú od 2 do 10 nanometrov. Kvôli takej malej veľkosti sa elektróny v nanočasticiach správajú úplne inak ako v objemových polovodičoch.
Energetické spektrum kvantovej bodky je nehomogénne, obsahuje samostatné energetické hladiny pre elektrón (záporne nabitú časticu) a dieru. Diera v polovodičoch sa nazýva nevyplnená valenčná väzba, nosič kladného náboja, ktorý sa číselne rovná elektrónu, vzniká pri prerušení väzby medzi jadrom a elektrónom.
Ak sa vytvoria podmienky, za ktorých nosič náboja v kryštáli prechádza z úrovne do úrovne, potom sa pri tomto prechode vyžiari fotón. Zmenou veľkosti častíc môžete ovládať frekvenciu absorpcie a vlnovú dĺžku tohto žiarenia. V praxi to znamená, že v závislosti od veľkosti častíc bodu budú pri ožiarení žiariť rôznymi farbami.
Schopnosť riadiť vlnovú dĺžku žiarenia cez veľkosť častíc umožňuje získať z kvantových bodov stabilné látky, ktoré premieňajú energiu, ktorú absorbujú, na svetelné žiarenie – fotostabilné fosfory.
Kvantové bodové riešenia sú lepšie ako tradičné organické a anorganické fosfory v množstve parametrov, ktoré sú dôležité pre tie oblasti praktickej aplikácie, v ktorých sa vyžaduje presná rekonfigurovateľná luminiscencia.
Výhody kvantových bodov:
- Sú fotostabilné a svoje fluorescenčné vlastnosti si zachovávajú niekoľko rokov.
- Vysoká odolnosť proti vyblednutiu fotografie: 100 - 1000 krát vyššia ako u organických fluorofórov.
- Vysoký kvantový výťažok fluorescencie - až 90%.
- Široké excitačné spektrum: UV až IR (400 - 200 nm).
- Vysoká čistota farieb vďaka vysokým vrcholom fluorescencie (25-40 nm).
- Vysoká odolnosť voči chemickej degradácii.
Ďalšou výhodou najmä pre polygrafický priemysel je, že na báze kvantových bodov je možné vyrobiť sóly - vysoko disperzné koloidné systémy s tekutým médiom, v ktorom sú rozptýlené malé častice. To znamená, že z nich možno vyrábať riešenia vhodné pre atramentovú tlač.
Aplikácie kvantových bodov:
Ochrana dokumentov a produktov pred falšovaním: cenné papiere, bankovky, preukazy totožnosti, známky, pečate, certifikáty, certifikáty, plastové karty, ochranné známky. Systém viacfarebného kódovania založený na kvantových bodkách možno komerčne použiť na farebné kódovanie produktov v potravinárskom, farmaceutickom, chemickom, šperkárskom a umeleckom priemysle.
Vďaka tomu, že tekutý základ môže byť na vodnej báze alebo UV vytvrdzovateľný, pomocou atramentov s kvantovými bodkami môžete označiť takmer akýkoľvek predmet - pre papier a iné savé podklady - atramentmi na vodnej báze, aj pre nesavé (sklo, drevo, kov, syntetické polyméry, kompozity) - UV atrament.
Marker v lekárskej a biologický výskum. Vzhľadom na to, že biologické markery, fragmenty DNA a RNA reagujúce na určitý typ buniek možno aplikovať na povrch kvantových bodiek, môžu byť použité ako kontrast v biologickom výskume a diagnostike rakoviny na skoré štádia keď nádor ešte nie je zistený štandardnými diagnostickými metódami.
Použitie kvantových bodov ako fluorescenčných značiek na in vitro štúdium nádorových buniek je jednou z najsľubnejších a rýchlo sa rozvíjajúcich oblastí aplikácie kvantových bodov v biomedicíne.
Masovému zavedeniu tejto technológie bráni len otázka bezpečnosti používania kontrastov s kvantovými bodkami v štúdiách in vivo, keďže väčšina z nich je vyrobená z veľmi toxických materiálov a rozmery sú také malé, že ľahko preniknú cez akékoľvek bariéry. telo.
Quantum Dot Displays: QLED - technológiu na vytváranie LCD displejov s LED podsvietením na kvantových bodoch už otestovali poprední výrobcovia elektroniky. Použitie tejto technológie umožňuje znížiť spotrebu energie displeja, zvýšiť svetelný tok v porovnaní s LED obrazovkami o 25-30%, živšie farby, jasné podanie farieb, farebnú hĺbku, možnosť ultratenkých obrazoviek a flexibilné.
Prototyp prvého displeja využívajúceho túto technológiu predstavila spoločnosť Samsung vo februári 2011 a prvý počítačový displej predstavila spoločnosť Philips.
Používa kvantové bodky na vytváranie červených a zelených farieb z emisného spektra modrej LED, výsledkom čoho je takmer prirodzené podanie farieb. V roku 2013 spoločnosť Sony vydala QLED obrazovku, ktorá funguje na rovnakom princípe. V súčasnosti sa táto technológia na výrobu veľkoplošných obrazoviek príliš nepoužíva z dôvodu vysokých výrobných nákladov.
Kvantový bodkový laser. Laser, ktorého pracovným médiom sú kvantové bodky v oblasti vyžarovania, má oproti tradičným polovodičovým laserom založeným na kvantových vrtoch množstvo výhod. Oni majú lepší výkonšírku pásma, intenzitu hluku, sú menej citlivé na zmeny teploty.
Vzhľadom na to, že zmena zloženia a veľkosti kvantovej bodky umožňuje ovládať aktívne médium takéhoto lasera, bolo možné pracovať na vlnových dĺžkach, ktoré boli predtým nedostupné. Táto technológia sa aktívne používa v praxi v medicíne, s jej pomocou bol vytvorený laserový skalpel.
energie
Na základe kvantových bodov bolo vyvinutých aj niekoľko modelov tenkovrstvových solárnych článkov. Sú založené na nasledujúcom princípe činnosti: fotóny svetla dopadajú na fotovoltaický materiál obsahujúci kvantové bodky, stimulujú vzhľad páru elektrónu a diery, ktorých energia sa rovná alebo prekračuje minimálnu energiu potrebnú na elektrón daného polovodiča, aby prešiel z viazaného stavu do voľného. Zmenou veľkosti nanokryštálov materiálu je možné meniť „energetickú produktivitu“ fotovoltaického materiálu.
Na tomto princípe už vzniklo niekoľko originálnych pracovných prototypov. odlišné typy solárne panely.
V roku 2011 vedci z University of Notre Dame navrhli solárnu farbu na báze oxidu titaničitého, ktorá dokáže zmeniť akýkoľvek objekt na solárna batéria... Má pomerne nízku účinnosť (iba 1%), ale je lacná na výrobu a môže sa vyrábať vo veľkých objemoch.
V roku 2014 vedci z Massachusettského technologického inštitútu predstavili metódu výroby solárnych článkov z ultratenkých vrstiev kvantových bodov, účinnosť ich vývoja je 9% a hlavné know-how spočíva v technológii spájania kvantových bodov do filmu. .
Laboratórium Centra pokročilých technológií solárnej fotovoltaiky v Los Alamos v roku 2015 navrhlo svoj projekt solárnych okien s účinnosťou 3,2 %, pozostávajúcich z priehľadného luminiscenčného kvantového koncentrátora, ktorý dokáže zaberať pomerne veľkú plochu, a kompaktných solárnych článkov. .
Vedci z Amerického národného laboratória pre obnoviteľnú energiu (NREL) však pri hľadaní optimálnej kombinácie kovov na výrobu článku s maximálnou kvantovou účinnosťou vytvorili skutočný výkonnostný rekord – vnútorná a vonkajšia kvantová účinnosť ich batérie v testoch bola 114 % a 130 %.
Tieto parametre nie sú efektívnosťou batérie, ktorá teraz vykazuje relatívne malé percento – iba 4,5 %, avšak optimalizácia zberu fotostreamu nebola kľúčovým cieľom štúdie, ktorá mala len vybrať najefektívnejšiu kombináciu prvkov. Stojí však za zmienku, že pred experimentom NREL žiadna batéria nevykazovala kvantovú účinnosť vyššiu ako 100 %.
Ako vidíme, potenciálne sféry praktickej aplikácie kvantových bodiek sú široké a rôznorodé, teoretický vývoj sú vedené v niekoľkých smeroch naraz. Ich hromadná realizácia v rôznych oblastiach bráni množstvo obmedzení: vysoká cena výroby samotných hrotov, ich toxicita, nedokonalosť a ekonomická nevhodnosť samotnej technológie výroby.
Vo veľmi blízkej budúcnosti sa môže rozšíriť systém farebného kódovania a atramentového označovania na báze kvantových bodov. Uvedomujúc si, že táto medzera na trhu ešte nie je obsadená, ale je perspektívna a vedecky náročná, spoločnosť IQDEMY ako jednu z výskumných úloh svojho chemického laboratória (Novosibirsk) identifikovala vývoj optimálnej formulácie UV vytvrditeľnej a vody - atramenty obsahujúce kvantové bodky.
Prvé získané tlačené vzorky sú pôsobivé a otvárajú ďalšie vyhliadky na praktický vývoj tejto technológie:
Zjednodušene povedané, kvantová bodka je polovodič, ktorého elektrické vlastnosti závisia od jeho veľkosti a tvaru. Úpravou veľkosti kvantovej bodky môžeme zmeniť energiu emitovaného fotónu, čo znamená, že môžeme zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou. Hlavnou výhodou kvantovej bodky je schopnosť presne vyladiť vlnovú dĺžku vyžarovaného svetla zmenou jeho veľkosti.
Popis:
Kvantové bodky sú fragmenty vodiča alebo polovodiča (napríklad InGaAs, CdSe alebo GaInP / InP), ktorých nosiče náboja (elektróny alebo diery) sú priestorovo obmedzené vo všetkých troch rozmeroch. Veľkosť kvantovej bodky musí byť taká malá, aby kvantové efekty boli významné. To sa dosiahne, ak je kinetická energia elektrónu zreteľne väčšia ako všetky ostatné energetické stupnice: v prvom rade je väčšia ako teplota vyjadrená v energetických jednotkách.
Zjednodušene povedané, kvantová bodka je polovodič, ktorého elektrické vlastnosti závisia od jeho veľkosti a tvaru. Ako menšej veľkosti kryštál, tým väčšia je vzdialenosť medzi energetickými hladinami. Keď sa elektrón presunie na nižšiu energetickú hladinu, vyžiari sa fotón. Úpravou veľkosti kvantovej bodky môžeme zmeniť energiu emitovaného fotónu, čo znamená, že môžeme zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou. Hlavnou výhodou kvantovej bodky je schopnosť presne vyladiť vlnovú dĺžku vyžarovaného svetla zmenou jeho veľkosti.
Kvantové bodky rôzne veľkosti môžu byť zhromaždené v gradientových viacvrstvových nanofilmoch.
Existujú dva typy kvantových bodiek (podľa spôsobu vytvárania):
— koloidné kvantové bodky.
Technické údaje:
Aplikácia:
— na rôzne biochemické a biomedicínske štúdie vrátane viacfarebnej vizualizácie biologických objektov (vírusov, bunkových organel, buniek, tkanív) in vitro a in vivo, ako aj pasívne fluorescenčné markery a aktívne indikátory na hodnotenie koncentrácie určitej látky v konkrétnom vzorka,
— pre viackanálové optické kódovanie, napríklad v prietokovej cytometrii a vysokovýkonnej analýze proteínov a nukleových kyselín,
— študovať priestorovú a časovú distribúciu biomolekúl konfokálnou metódou mikroskopia,
— v imunoteste,
— in situ diagnostika markerov rakoviny,
— pri blottingu,
— ako zdroj biely,
— v LED diódy,
— v polovodičovej technike,
Ľanová izolácia a zvuková izolácia ...
Zariadenia na výrobu kŕmnych zmesí - pri ... Supravodivé vodiče druhej generácie... Hydroakustické systémy, hydroakustické zostavy ... Prostriedky ochrany proti škodcom a chorobám rastlín ... Kompozitné ploty Pultrusia Vodíkové palivové články... Mobilné roboty Servosila "Engineer" ...
Dobrý čas dňa, únoscovia! Myslím, že veľa ľudí si všimlo, že sa čoraz viac reklamy začalo objavovať na displeje založené na technológii kvantových bodov, takzvané QD - LED (QLED) displeje, a to aj napriek tomu, že v súčasnosti ide len o marketing. Podobne ako v prípade LED TV a Retina ide o technológiu LCD displeja, ktorá využíva ako podsvietenie kvantové bodky LED.
Váš skromný sluha sa rozhodol prísť na to, čo sú to kvantové bodky a s čím sa jedia.
Namiesto predstavenia
Kvantová bodka- fragment vodiča alebo polovodiča, ktorého nosiče náboja (elektróny alebo diery) sú priestorovo obmedzené vo všetkých troch rozmeroch. Veľkosť kvantovej bodky musí byť taká malá, aby kvantové efekty boli významné. To sa dosiahne, ak je kinetická energia elektrónu zreteľne väčšia ako všetky ostatné energetické stupnice: v prvom rade je väčšia ako teplota vyjadrená v energetických jednotkách. Kvantové bodky prvýkrát syntetizovali začiatkom 80. rokov Alexej Yekimov v sklenenej matrici a Louis E. Brus v koloidných roztokoch. Termín „kvantová bodka“ vymyslel Mark Read.Energetické spektrum kvantovej bodky je diskrétne a vzdialenosť medzi stacionárnymi energetickými hladinami nosiča náboja závisí od veľkosti samotnej kvantovej bodky ako - ħ / (2md ^ 2), kde:
- ħ - znížená Planckova konštanta;
- d - charakteristická veľkosť bodu;
- m je efektívna hmotnosť elektrónu v bode
Napríklad, keď sa elektrón presunie na nižšiu energetickú hladinu, vyžiari sa fotón; keďže môžete upraviť veľkosť kvantovej bodky, môžete zmeniť aj energiu emitovaného fotónu, a teda zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou.
Typy kvantových bodov
Existujú dva typy:- epitaxné kvantové bodky;
- koloidné kvantové bodky.
Konštrukcia Quantum Dot
Kvantová bodka je zvyčajne polovodičový kryštál, v ktorom sa realizujú kvantové efekty. Elektrón v takomto kryštáli sa cíti ako v trojrozmernej potenciálovej studni a má veľa stacionárnych energetických úrovní. V súlade s tým môže kvantová bodka pri prechode z jednej úrovne na druhú emitovať fotón. Pri tom všetkom sa dajú prechody jednoducho ovládať zmenou rozmerov kryštálu. Je tiež možné preniesť elektrón na vysokú energetickú hladinu a prijať žiarenie z prechodu medzi nižšie položenými hladinami a v dôsledku toho získame luminiscenciu. V skutočnosti to bolo pozorovanie tohto javu, ktoré slúžilo ako prvé pozorovanie kvantových bodiek.Teraz o displejoch
História plnohodnotných displejov sa začala vo februári 2011, keď spoločnosť Samsung Electronics odhalila vývoj plnofarebného displeja založeného na kvantových bodoch QLED. Bol to 4" displej s aktívnou maticou. každý farebný pixel s kvantovou bodkou je možné zapnúť a vypnúť pomocou tenkovrstvového tranzistora.Na vytvorenie prototypu sa na silikónovú dosku nanesie vrstva roztoku kvantových bodiek a nastrieka sa rozpúšťadlo. Potom sa do vrstvy kvantových bodiek vtlačí gumená pečiatka s hrebeňovým povrchom, ktorá sa oddelí a vytlačí na sklo alebo pružný plast. Takto sa pásy kvantových bodiek nanášajú na substrát. Vo farebných displejoch obsahuje každý pixel červený, zelený alebo modrý subpixel. V súlade s tým sa tieto farby používajú s rôznou intenzitou, aby sa získalo čo najviac odtieňov.
Ďalším krokom vo vývoji bolo zverejnenie článku vedcami z Indického vedeckého inštitútu v Bangalore. Kde boli popísané kvantové bodky, ktoré luminiscujú nielen oranžovou, ale aj v rozsahu od tmavozelenej po červenú.
Prečo je LCD horší?
Hlavný rozdiel medzi QLED displejom a LCD je v tom, že LCD dokáže pokryť len 20-30% farebného rozsahu. V QLED TV tiež nie je potrebné používať vrstvu so svetelnými filtrami, keďže kryštály, keď je na ne privedené napätie, vyžarujú svetlo vždy s jasne definovanou vlnovou dĺžkou a v dôsledku toho s rovnakou hodnotou farby.
Objavili sa aj správy o predaji kvantového bodového počítačového displeja v Číne. Žiaľ, na vlastné oči som to na rozdiel od televízora nemal možnosť skontrolovať.
P.S. Za zmienku stojí, že oblasť použitia kvantových bodov sa neobmedzuje len na LED monitory, okrem iného ich možno použiť v tranzistoroch s efektom poľa, fotobunkách, laserových diódach a možnosti ich aplikácie v medicíne a kvantovej výpočtovej technike. sa tiež študuje.
P.P.S. Ak sa budeme baviť o mojom osobnom názore, tak verím, že najbližších desať rokov nebudú populárne, nie preto, že by boli málo známe, ale preto, že ceny za tieto displeje sú nebetyčné, no aj tak chcem dúfať, že kvantum body nájdu svoje uplatnenie v medicíne, a poslúžia nielen na zvýšenie zisku, ale aj na dobré účely.
Štítky: Pridať štítky
A.V. Fedorov, A.V. Baranov | ||||||||||||
Ln [K (τ)] | ||||||||||||
τ, ps | ||||||||||||
Ryža. 4.32. a je logaritmus obálky koherentného riadiaceho signálu ako funkcia vzájomného oneskorenia medzi impulzmi pre rôzne relatívne príspevky Lorentzovho homogénneho a Gaussovho nehomogénneho rozšírenia (r = 2 =!). Plná čiara - čisto lorentzovské homogénne rozšírenie s ~ 2 = 21:25 μeV; prerušovaná čiara –r = 1/1; bodkovaná čiara –r = 1 / 2,5; pomlčka-bodka-r = 1/14. Absolútne hodnoty2 a! boli zvolené takým spôsobom, že HWHM fotoluminiscenčnej čiary jednej kvantovej bodky sa udržiaval konštantný (21: 25 μeV) v súlade s prácou. (b) Voigtov obrys fotoluminiscenčnej čiary jednej kvantovej bodky vypočítaný pre rovnaké parametre ako v prípade a.
meracím zariadením a prispôsobiť sa Voigtovej kontúre. To vedie k ďalším chybám. Na obr. 4.32 b sú vynesené tvary fotoluminiscenčných čiar jednej kvantovej bodky pre rovnaké pomery 2 =! ako na obrázku 4.32 a. Je vidieť, že najinformatívnejšou časťou spektrálnych čiar sú ich krídla, kde je ťažké dosiahnuť dobrý prístup signál / šum. Zodpovedajúce zmeny v K () sú zároveň najvýraznejšie v oblasti, kde je možné získať koherentný riadiaci signál s dostatočnou presnosťou. Metódu koherentného riadenia teda možno použiť na štúdium účinkov fluktuácií v nábojovom prostredí v optických a relaxačných procesoch.
4.3. Aplikácia kvantových bodov
4.3.1. Kvantové bodové lasery pre vláknovú komunikáciu
Rozvoj telekomunikácií s optickými vláknami viedol k potrebe vytvoriť efektívne polovodičové lasery a optické zosilňovače pracujúce v spektrálnej oblasti minimálnych strát vlnovodu (1,25–1,65 µm). Najväčšia vlnová dĺžka dosiahnutá lasermi s kvantovými vrtmi InGaAs / GaAs je 1230 nm pre koncové zariadenia a 1260 nm pre lasery s vertikálnou dutinou. Dostatočne vysoké prahové prúdy, nízka prevádzková teplota a nízka
4. Optika kvantových bodov |
tepelná stabilita takýchto laserov nie vždy spĺňa požiadavky na vysokorýchlostné telekomunikačné zariadenia.
Pokrok vo výrobe viacvrstvových štruktúr samoorganizovaných kvantových bodov zlúčenín A3 B5, dostatočne jednotných vo veľkosti a tvare pri vysokej povrchovej hustote, viedol k vytvoreniu polovodičových laserov s kvantovými bodkami ako aktívnym médiom. V dôsledku toho sa spektrálna oblasť 1, 0–1, 7 μm stala dostupnou pre generovanie pre konvenčné lasery aj pre lasery s vertikálnou dutinou pomocou kvantových bodov InGaAs a substrátov GaAs. Najmä oba typy laserov môžu generovať žiarenie s vlnovou dĺžkou 1,3 μm s extrémne nízkymi prahovými prúdmi a vysokým výstupným výkonom. Nedávno bol demonštrovaný širokopásmový QD laser, emitujúci pri 1,5 μm s prúdovou hustotou iba 70 A / cm2 na QD vrstvu pri izbovej teplote. Optické zosilňovače založené na štruktúrach kvantových bodov sú zaujímavé pre vysokorýchlostné spracovanie signálu s rýchlosťou nad 40 Gbit/s. Je nevyhnutné, aby vyvinuté technológie GaAs umožnili vyrobiť pomerne lacné monolitické QD lasery s vertikálnou dutinou s distribuovanými Braggovými zrkadlami na báze párov AlAs / GaAs a AlOx / GaAs.
Treba poznamenať, že v dôsledku nehomogénneho rozšírenia elektronické prechody v kvantových bodoch je možné rozšíriť oblasť nepretržitého ladenia vlnovej dĺžky lasera. S miernym zvýšením prahových prúdov môže dosiahnuť 200 nm (1,033–1,234 µm).
Lasery využívajúce kvantové bodky InAs a substráty InP sú tiež zaujímavé, pretože umožňujú lasovanie v väčšom rozsahu vlnových dĺžok (1, 8–2, 3 μm), čo je dôležité pre aplikácie v molekulárnej spektroskopii a diaľkovom monitorovaní plynných atmosfér pomocou lidarov. Zároveň generovanie žiarenia s vlnovou dĺžkou 1,9 a 2 mm lasera s aktívnym médiom z takejto heteroštruktúry bolo doteraz získané len pri nízkej (77 K) teplote. Zaujímavé je, že lasery pri 1,6 a 1,78 mm boli demonštrované aj pre lasery založené na kvantových drôtoch InAs - jednorozmerných kvantových štruktúrach na substráte (001) InP. Nakoniec sa cw lasing v oblasti 2 mm získal pri izbovej teplote s použitím kvantových bodiek na báze InAsSb pestovaných na substráte (001) InP ako aktívnom laserovom médiu.
Intenzívny rozvoj tohto smeru viedol k tomu, že v súčasnosti sa stali komerčne dostupné niektoré typy polovodičových laserov s aktívnym prostredím na báze kvantových bodov.
AV 260 Fedorov, A.V. Baranov
4.3.2. Kvantové bodky v biológii a medicíne
Jednou z najaktívnejšie sa rozvíjajúcich oblastí aplikácie polovodičových kvantových bodov je použitie koloidných kvantových bodov (polovodičových nanokryštálov v organických a vodných roztokoch) ako luminiscenčných markerov na vizualizáciu štruktúry biologických objektov. odlišné typy a na supersenzitívnu detekciu biochemických reakcií, ktoré sú kritické v molekulárnej a bunkovej biológii, lekárskej diagnostike a terapii. Luminiscenčná značka je fosfor spojený s molekulou linkera, ktorý sa môže selektívne viazať na detegovanú bioštruktúru (cieľ). Značky musia byť rozpustné vo vode, majú vysoký absorpčný koeficient a majú vysoký kvantový výťažok luminiscencie v úzkom spektrálnom pásme. Ten je dôležitý najmä pre registráciu viacfarebných obrázkov, keď sú rôzne ciele v bunke označené rôznymi štítkami. Organické farbivá sa zvyčajne používajú ako luminofóry na etikety. Ich nevýhodou je nízka odolnosť voči fotobieleniu, ktorá neumožňuje dlhodobé merania, nutnosť použitia viacerých svetelných zdrojov na excitáciu rôznych farbív a tiež veľká šírka a asymetria luminiscenčných pásov, ktoré sťažujú analýzu viacfarebných obrázkov.
Nedávne pokroky v nanotechnológii umožňujú hovoriť o vytvorení novej triedy luminiscenčných štítkov s použitím polovodičových kvantových bodov - koloidných nanokryštálov - ako fosforu.
Syntéza nanokryštálov na báze zlúčenín A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) a A3 B5 (InP a GaAs) je známa už dlho. Už v roku 1993 bola navrhnutá vysokoteplotná organokovová syntéza kvantových bodov CdSe a získali sa nanokryštály s dobrou kryštálovou štruktúrou a úzkou distribúciou veľkosti, ale s kvantovým výťažkom nepresahujúcim 10 %. Prudký nárast kvantového výťažku kvantových bodiek až o 85 % pri izbovej teplote sa dosiahol, keď sa nanokryštály začali pokrývať tenkým (1–2 monovrstvovým) obalom vyrobeným z iného materiálu so širšou zakázanou páskou (napríklad pre CdSe ide o ZnS, CdS, CdO). Takéto štruktúry sa nazývajú jadro / plášť QD. Priemer kvantových bodov (od 1,5 nm a viac) možno regulovať zmenou reakčného času pri teplote asi 300 °C, od minút do niekoľkých hodín, alebo jednoducho výberom požadované množstvo cez produkt iný čas po začiatku reakcie. V dôsledku toho sa ukázalo, že je možné získať súbor kvantových bodov rovnakého zloženia, ale s rôznymi veľkosťami. Napríklad poloha luminiscenčného pásma CdSe / ZnS QD sa môže meniť v rozsahu od 433 do 650 nm (2,862–1,906 eV) so šírkou pásma približne 30 meV. Použitie iných materiálov umožňuje výrazne rozšíriť spektrálnu oblasť ladenia luminiscenčného pásma nanokryštálov (obr. 4.33). v podstate
Kvantová bodová optika | |||||
Intenzita | |||||
vlnová dĺžka, | |||||
Ryža. 4.33. Luminiscenčné spektrá polovodičových nanokryštálov rôzneho zloženia a veľkosti. Plné čiary zodpovedajú nanokryštálom CdSe s priemermi 1,8, 3,0 a 6,0 nm, prerušované čiary nanokryštálom InP s priemerom 3,0 a 4,6 nm a prerušované čiary nanokryštálom InAs s veľkosťou 2,8, 3,6, 4,6 a 6,0 nm .
že nanokryštály vykazujú užšie a symetrickejšie luminiscenčné pásy ako bežné organické farbivá. Toto je mimoriadne dôležitá výhoda pri analýze viacfarebných obrázkov. Na obr. 4.34 sa ako príklad porovnávajú luminiscenčné spektrá nanokryštálov CdSe / ZnS a molekúl rodamínu 6G.
Intenzita, rel. Jednotky
Rodamín 6 W |
Kvantové bodky
Vlnová dĺžka, nm
Ryža. 4.34. Porovnanie luminiscenčných pásov kvantových bodov a molekúl rodamínu 6G.
Ďalšou výhodou je, že nanokryštály rovnakého zloženia majú zvyčajne široký absorpčný pás s vysokým molárnym extinkčným koeficientom (až 10–6 cm – 1 M – 1), čo zodpovedá prechodom do vysokoenergetických stavov. Jeho poloha je slabo závislá od veľkosti kvantovej bodky. Preto sa na rozdiel od farbív ukazuje, že je to možné
262 A.V. Fedorov, A.V. Baranov
efektívne vybudenie luminiscencie nanokryštálov rôznych veľkostí jedným laserovým svetelným zdrojom. Hlavnou výhodou je však to, že nanokryštály majú vynikajúcu fotostabilitu: nevyblednú niekoľko hodín alebo dokonca dní, pričom charakteristické časy fotobielenia obyčajných fosforov sú obmedzené na niekoľko minút (obr. 4.35 AlexaFluor® 488 Obr. 4.35. Fotoindukovaná degradácia luminiscencie značiek na báze nanokryštálov CdSe / ZnS CdSe / ZnS a tradičných molekulových fosforov pôsobením žiarenia z ortuťovej výbojky.
Výsledkom je získaný povrch takýchto kvantových bodov chemická reakcia, je potiahnutá hydrofóbnymi molekulami použitými pri syntéze, takže sú rozpustné iba v organických rozpúšťadlách. Pokiaľ ide o biologické objekty(proteíny, DNA, peptidy) existujú len vo vodných roztokoch, boli vyvinuté metódy na úpravu povrchu nanokryštálov, ktoré ich robia rozpustnými vo vode s kladne aj záporne nabitými povrchmi. Bolo navrhnutých niekoľko typov linkerových molekúl, ktoré umožňujú selektívne viazať nanokryštály s analyzovanými biomolekulami. Ako príklad je na obr. 4.36 znázornený príklad nanokryštálu CdSe potiahnutého plášťom ZnS, ktorý je kovalentne spojený s proteínom molekulou kyseliny merkaptooctovej.
V najviac nedávne časy luminiscenčné štítky založené na polovodičových kvantových bodoch pre ciele rôznych typov sa stali komerčne dostupnými.
Na použitie kvantových bodov in vivo je potrebné prijať opatrenia na zníženie ich toxicity. Na tento účel bolo navrhnuté umiestniť kvantové bodky do inertných polymérových guľôčok s priemerom 50–300 nm a použiť ich ako luminofóry v prípadoch, keď relatívne veľké veľkosti nanoguľôčok nebránia ich použitiu. Použite
Vyhľadávanie
Môžeme vás informovať o nových článkoch,