Kvantumpont

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. szeptember 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 6 szerkesztést igényelnek .

A kvantumpont  egy vezető vagy félvezető töredéke (például InGaAs , CdSe , CdS vagy GaInP / InP ), amelynek töltéshordozói ( elektronok vagy lyukak ) térben korlátozottak mindhárom dimenzióban. A kvantumpont méretének olyan kicsinek kell lennie, hogy a kvantumhatások jelentősek legyenek [1] . Ez akkor érhető el, ha az elektron kinetikus energiája észrevehetően nagyobb, mint az összes többi energiaskálánál: elsősorban nagyobb, mint a hőmérséklet , energiaegységekben kifejezve.

A kvantumpont energiaspektruma diszkrét, függ a kvantumpont méretétől és a benne lévő töltéshordozó potenciális energiaprofiljától . A szomszédos stacionárius energiaszintek közötti becsült távolságok a következő nagyságrendűek: (ahol ħ a redukált Planck-állandó , d a pont jellemző mérete, m az elektron effektív tömege egy pontban). Ennek eredményeként a kvantumpontok elektronikus és optikai tulajdonságai egy közbülső pozíciót foglalnak el egy ömlesztett félvezető és egy diszkrét molekula között [1] .

Egyszerűen fogalmazva, a kvantumpont egy félvezető, amelynek elektromos jellemzői a méretétől és alakjától függenek. Minél kisebb a kristály, annál nagyobb a távolság az energiaszintek között. Például, amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre mozog , foton bocsát ki ; mivel szabályozhatjuk a kvantumpont méretét, megváltoztathatjuk a kibocsátott foton energiáját, ami azt jelenti, hogy megváltoztathatjuk a kvantumpont által kibocsátott fény színét. A kvantumpont fő előnye, hogy nagy pontossággal szabályozható a mérete, és ezáltal a vezetőképessége [2] , ami lehetővé teszi, hogy ugyanabból az anyagból, ugyanazzal a technikával különböző színű fluoroforokat hozzanak létre.

A különböző méretű kvantumpontok gradiens többrétegű nanofilmekké állíthatók össze.

Energiaszintek kvantumpontban

A kvantumpont energiaspektrumát a benne lévő részecske potenciális energiaprofilja határozza meg, és a háromdimenziós stacionárius Schrödinger-egyenlet megoldásával kereshető meg .

Például, ha a területen , , és ezen a területen kívül, akkor

,

ahol , , természetes számok , hasonlóan a végtelen falú kvantumkút energiaszintjéhez .

Ha egy gömb tartományban és azon kívül (ez az egyik megfelelő közelítés a valós pontokhoz), akkor [3]

,

ahol egy nem negatív egész szám , és egy félegész index Bessel-függvényének -edik gyöke ; mert lesz , másoknak pedig vannak nullák táblázatai [4] .

Végül, ha (egy háromdimenziós kvantumharmonikus oszcillátor , ami szintén jó közelítés a valós pontokhoz; = const), akkor [5]

.

Kutatástörténet

A kvantumpontokat először 1981-ben Alexei Ekimov [6] [K 1] , majd 1983-ban Louis Bruce szerzett kolloid oldatokban [8] [9] . A kvantumpontok elméletét először Alexander Efros vezette be 1982-ben [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros és L. Bruce R. V. Wood-díjat (2006) kaptak a kvantumpontok felfedezéséért [11] . A "kvantumpont" kifejezést Mark Reed alkotta meg.[12] . Az első kvantumpontoküvegben növesztett CuCl mikrokristályok voltak [6] [K 1] . 1993-ban megjelent egy módszer a kvantumpontok kadmium-szelenidből kolloid nanokristályok formájában történő szintézisére, ahol minden kvantumpont egy izolált objektum [13] . Az ilyen pontok fluoreszcencia kvantumhozama mindössze 10% volt [14] . Jelentős növekedését a mag körüli héj kialakításával érték el.

2013 júniusában a Physical Review Letters - ben megjelent egy cikk a bangalore -i Indian Institute of Science tudósai által végzett felfedezés eredményeivel . Elmondása szerint a mangánnal adalékolt cink, kadmium és kén ötvözetéből létrehozott kvantumpontok nemcsak narancssárgán világítanak, ahogy korábban gondolták, hanem a sötétzöldtől a vörösig terjedő tartományban világítanak . A felfedezés gyakorlati jelentősége, hogy a mangánnal adalékolt ötvözetekből készült kvantumpontok erősebbek, hatékonyabbak és biztonságosabbak.

A leginkább tanulmányozott kvantumpontok kadmium-szelenid alapúak . Ám a nehézfém-alapú anyagok használatát korlátozó jogszabályok megjelenésével [15] a technológiák fejlődésnek indultak a kadmiumot nem tartalmazó kvantumpontok előállítására.

A kvantumpontok típusai

Kétféle kvantumpont létezik (a létrehozás módjától függően):

Fizikai és kémiai tulajdonságok

A QD-k legtöbb tulajdonsága, beleértve a sugárzás színét is, a mérettől, a formától és az anyagoktól függ, amelyekből készültek.

A kvantumpont lehet egy félvezető kristály , amelyben a meglehetősen kis méret miatt kvantumméretű hatások valósulnak meg. Egy ilyen mikrokristályban lévő elektron úgy érzi magát, mint egy háromdimenziós potenciálüregben lévő elektron, sok stacioner energiaszinttel rendelkezik, amelyek között jellegzetes távolság van ; az energiaszintek pontos kifejezése a pont alakjától függ. Hasonlóan az atom energiaszintjei közötti átmenethez, a kvantumpont energiaszintjei közötti átmenet során foton bocsátható ki . Lehetőség van arra is, hogy egy elektront magas energiaszintre dobjunk, és sugárzást kapjunk az alacsonyabban fekvő szintek közötti átmenetből ( lumineszcencia ). Ugyanakkor a valódi atomoktól eltérően a kristály méretének változtatásával könnyen szabályozható az átmeneti frekvenciák. Valójában a kadmium-szelenid kristályok lumineszcenciájának megfigyelése a kristály mérete által meghatározott lumineszcencia frekvenciával volt a kvantumpontok első megfigyelése.

Jelenleg sok kísérletet szentelnek a kétdimenziós elektrongázban képződött kvantumpontoknak . Egy kétdimenziós elektrongázban az elektronok síkra merőleges mozgása már korlátozott, a síkon lévő tartományt felülről a heterostruktúrára ráhelyezett kapufém elektródák segítségével lehet elkülöníteni. A kétdimenziós elektrongázban lévő kvantumpontok alagútkontaktusok révén összekapcsolhatók a kétdimenziós gáz más területeivel, és a kvantumponton keresztüli vezetés tanulmányozható. Egy ilyen rendszerben a Coulomb-blokád jelensége figyelhető meg .

Kvantumpont-tervek

A kvantumpont egy magból és egy szélesebb sávszélességű anyagból készült védőhéjból áll . Csökkenti a sejtmag felszínén lévő hibákat, ami a fluoreszcencia kvantumhozamának akár 90%-os növekedéséhez vezet, megakadályozza a kvantumpont lebomlását és a mérgező kadmiumionok felszabadulását. A mag anyaga lehet CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg ötvözetek; héjak - ZnS, CdS, ZnSe. Az orvosbiológiai kutatások kvantumpontjainak további két rétege van: egy stabilizátor és egy inert molekulák ( peptidek , lipidek ) vagy egy semleges hidroxil héj. A stabilizátor – egy szilícium, polimer vagy szilikon héj – védelmet nyújt a belső struktúráknak az agresszív környezeti hatásokkal szemben, meghatározza a kvantumpontok oldószerekbe való diszpergálódási képességét, valamint a különböző biológiailag aktív molekulák felületükre történő oltásának lehetőségét, amelyek kvantumpontokat juttatnak el a környezetbe. a kívánt szöveteket és sejteket. A lipideket a nem specifikus kötődés csökkentésére használják [17] .

A kvantumpontok különböző alakúak és méretűek lehetnek, de leggyakrabban 2-10 nm átmérőjű gömbök, amelyek 10 3-10 5 atomból állnak [ 1] .

A kvantumpontok alkalmazásai

A kvantumpontok ígéretes anyagok az orvostudományban, a biológiában, az optikában, az optoelektronikában , a mikroelektronikában, a nyomtatásban és az energetikában.

A kolloid kvantumpontok jól helyettesítik a hagyományos, szerves és szervetlen foszforokat. Fénystabilitásban, fluoreszcencia fényességben felülmúlják őket, és néhány egyedi tulajdonsággal is rendelkeznek [18] . Ezeknek a nanokristályoknak az optikai tulajdonságait a legváratlanabb alkalmazásokban használják, amelyek kényelmes, hangolható lumineszcenciát igényelnek, például biológiai kutatásokban. Például a különböző méretű kvantumpontok a sejtek különböző részeibe hatolnak be, és különböző színűre festik azokat [19] [20] .

A kvantumpontokat egyre gyakrabban használják biomarkerként a képalkotáshoz az orvostudományban , például daganatok vagy autoimmun antitestek festésére, gyógyszer bejuttatására a kívánt szövetekbe (a nanorészecskékhez kapcsolva a gyógyszereket pontosabban lehet célozni a daganatokra) [21] .

Egészen a közelmúltig szóba sem jöhetett a kvantumpontok széleskörű elterjedése az elektronikában, de az elmúlt években számos cég dobott piacra olyan terméket, amely ezeket a nanorészecskéket használja. A bejelentett termékek között vannak kísérleti minták és tömegtermékek egyaránt. Még 2010-ben az LG Display megalkotta az első kvantumpontokon alapuló kijelzők prototípusát [22] . 2015-ben a TPV Technology együttműködött a QD Visionnal az első kvantumpont-alapú fogyasztói monitor 276E6ADS kifejlesztésében és kereskedelmi forgalomba hozatalában [23] . Jelenleg a Samsung , az LG Electronics , a Sony , a TCL Corporation és a Hisense telepíti a kvantumpontos háttérvilágítású LCD paneleket ( QD-LED ) a tévéikbe . Létezik egy program a megjelenítő eszközök létrehozására, ahol maguk a kvantumpontok fognak fénykibocsátóként működni [24] .

A kvantumpontok lehetséges alkalmazásai: térhatású tranzisztorok , fotocellák , LED -ek , lézerdiódák [1] . A Nexxus Lighting 2009-ben bocsátott ki egy kvantumpontokat használó LED-lámpát [25] .

A QD alapján olyan bevonatok készíthetők, amelyek megváltoztatják a meglévő fényforrások kibocsátását vagy a napfényt, amelyek alkalmazhatók például a mezőgazdaságban az ultraibolya fény vörössé alakítására, ami hasznos a növények számára.

A kvantumpontokat hibrid napelemekben is használják olyan anyagként, amely a napenergiát egyenárammá alakítja át. A kvantumpontok többrétegű napelemekben való alkalmazása lehetővé teszi a napsugárzás hatékonyabb elnyelését, mivel szélesebb tartományban képesek elnyelni a fényt (beleértve az infravörös és ultraibolya sugárzást is), mint a hagyományos napelemek [26] .

UbiQD, Nemzeti Megújuló Energia Laboratórium, a Los Alamos National Laboratory kvantumpontokon alapuló lumineszcens szoláris koncentrátort (LSC) fejleszt [27] [28] .

Kvantumpontok helyezhetők a tintába, hogy megvédjék a dokumentumokat és az értékpapírokat a hamisítástól [29] [30] .

A kvantumpontok a kvantumszámítástechnikában a qubitek ábrázolásának egyik fő jelöltjei .

Az olaj- és gáziparban kvantumpontokat alkalmaznak a GeoSplit vízszintes kútjelölő technológiájában [31] .

Módszerek kvantumpontok megszerzésére

Két fő módszer létezik a kvantumpontok létrehozására: epitaxia és kolloid szintézis .

Az epitaxia  a kristályok szubsztrát felületén történő növesztésének módszere:

A vegyületeket többnyire a periódusos rendszercsoport - A III B V - III (Ga, Al, In) és V (As, P, Sb) elemeiből termesztik. Az ilyen QD-k alapján félvezető lézereket és mikrohullámú tranzisztorokat hoztak létre.

Kolloid szintézis , amelyben az anyagokat oldatban keverik. A kolloid szintézis segítségével adszorbeált felületaktív molekulákból álló réteggel bevont nanokristályokat lehet előállítani. Így szerves oldószerekben, illetve módosítás után poláris oldószerekben is oldódnak. Különösen érdekesek a kolloidszintézissel nyert fluoreszcens kvantumpontok, például a kadmium-kalkogenideken alapuló kvantumpontok méretüktől függően különböző színekben fluoreszkálnak.

Gyártás

A kijelzőkhöz használható kvantumpontokat a Nanosys gyártja. Bemutatta QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) technológiáját a Society for Information Display (SID) kiállításon.) 2011-ben. Ennek a technológiának az első engedélyesei a Samsung Electronics és a 3M voltak .

2004- ben megalapították a QD Vision Laboratory-t (USA, Lexington (Massachusetts) ) a QLED technológia fejlesztésére . Kezdetben a kijelző mátrixának közvetlenül kvantumpontokból készült alpixeleit kellett volna gyártani, de a technológia bonyolultnak és költségesnek bizonyult, és a cég az LCD-kijelzők háttérvilágításának kvantumpontokon alapuló javítására koncentrált [32] . A technológiát az LG-vel, a Sony-val, a TCL Grouppal és a Samsunggal való együttműködésnek köszönhetően sikerült bevezetni a tévék gyártásába, amelyek 2016-ban megvásárolták a QD Visiont [33] .

A Nanoco saját technológiával rendelkezik a kadmiummentes kvantumpontok előállítására, 2001 - ben alakult Manchesterben . A cég CFQD ® fóliát gyárt bemutatókhoz és kertészeti világításhoz [34] . Üzeme Runcornban található .

A QD anyagokat a Dow Chemical gyártja . 2013-ban engedélyt kapott a Nanocotól anyagai gyártására, forgalmazására és értékesítésére. 2015-re a Dow Chemical üzemet épített Cheonanban (Dél-Korea), és elindította a kadmiummentes kvantumpontok gyártását [35] . Ehelyett indiumot használnak . Az első ilyen technológiával rendelkező tévéket a Samsung és az LG mutatta be a 2015-ös CES kiállításon .

A Merck Group saját QD technológiát fejleszt[36] .

Oroszországban 2011–2014-ben a QDLight márkanév alatt kvantumpontokat állított elő a mikrovállalkozás, a Nanotech-Dubna Tudományos és Technológiai Vizsgálati Központ a RUSNANO -val és a Szövetségi Állami Egységes Vállalkozási Alkalmazott Akusztikai Kutatóintézettel közös projekt keretében [37] [ 37]. 38] . 2017-ben felszámolták [39] .

A napelemek létrehozásához szükséges kvantumpontokat a Quantum Materials Corporation és leányvállalata, a Solterra Renewable Technologies állítja elő saját szabadalmaztatott technológiájuk [26] és a QD Solar segítségével.

Lásd még

Megjegyzések

  1. 1 2 Zh. I. Alferov akadémikus ezt írta: „Az első félvezető pontokat - az A II B VI vegyületek mikrokristályait , amelyek üvegmátrixban képződtek, A. I. Ekimov és A. A. Onushchenko javasolta és valósította meg ” [7] .

Források

  1. 1 2 3 4 Vasziljev R. B., Dirin D. N. Kvantumpontok : szintézis, tulajdonságok, alkalmazások . — Módszertani anyagok. - Moszkva: FNM MGU, 2007. - 34 p.
  2. www.eidenttech.com: Hogyan működnek a kvantumpontok. . Az eredetiből archiválva : 2010. február 1. Letöltve: 2009. október 15.
  3. L. A. Bugaev, A. S. Kasprzhitsky, Ya. V. Latokha. Útmutató a kvantumelméleti problémák megoldásához . A Rosztovi Állami Egyetem Kiadója (2006). - lásd a 3.5. példát, beleértve a 3. oldalt is. 33. Letöltve: 2021. augusztus 16. Az eredetiből archiválva : 2021. augusztus 16..
  4. S. D. Algazin. A Bessel-függvények nullák nagy pontosságú táblázatosításáról . Izv. Tula State University, Natural Sciences, vol. 1. o. 132-141 (2013). - lásd szek. 4: A félegész index Bessel-függvényeinek nullái. Letöltve: 2021. augusztus 16. Az eredetiből archiválva : 2021. augusztus 16.
  5. D. Bohm. Kvantumelmélet . Moszkva: Tudomány (1965). - lásd p. 409-411. Letöltve: 2021. augusztus 16. Az eredetiből archiválva : 2021. augusztus 16.
  6. 1 2 Ekimov A. I., Onushchenko A. A. Kvantumméret-effektus félvezetők háromdimenziós mikrokristályaiban Archív másolat 2014. december 16-án a Wayback Machine -nél // JETP Letters . - 1981. - T. 34. - S. 363-366.
  7. Alferov Zh. I. A félvezető heterostruktúrák története és jövője  // A félvezetők fizika és technológiája. - 1998. - T. 32 , 1. sz . - S. 12 .
  8. Nanotechnológiai idővonal  . Nemzeti Nanotechnológiai Kezdeményezés (2015. november 26.). Hozzáférés dátuma: 2016. december 14. Az eredetiből archiválva : 2016. december 12.
  9. A kvantumpontok felfedezése (1981  ) . Jeremy Norman & Co., Inc. (2004-2016). Hozzáférés időpontja: 2016. december 14. Az eredetiből archiválva : 2016. december 20.
  10. A kvantumpontok felfedezése . Letöltve: 2021. augusztus 15. Az eredetiből archiválva : 2021. április 11.
  11. " Nanokristály kvantumpontok felfedezéséért és elektronikus és optikai tulajdonságaik úttörő tanulmányozásáért ".
  12. Reed MA, Randall JN, Aggarwal RJ, Matyi RJ, Moore TM, Wetsel AE Diszkrét elektronállapotok megfigyelése zéró dimenziós félvezető nanostruktúrában  //  Phys Rev Lett  : Journal. - 1988. - 1. évf. 60 , sz. 6 . - P. 535-537 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.60.535 . - . — PMID 10038575 . (1988). [1] Archiválva : 2013. május 21. a Wayback Machine -nél
  13. Murray CB, Norris DJ, Bawendi MG Közel monodiszperz CdE (E = kén, szelén, tellúr) félvezető nanokristályok szintézise és jellemzése  //  J. Am. Chem. szoc. : magazin. - 1993. - 115. szám (19) . - S. 8706-8715 .
  14. Oleinikov V. A., Sukhanova A. V., Nabiev I. R. Fluoreszcens félvezető nanokristályok a biológiában és az orvostudományban  (neopr.) . — Orosz nanotechnológiák. - 2007. - T. 2. - S. 160-173.
  15. TR EAEU 037/2016 . Az Eurázsiai Gazdasági Bizottság Tanácsának 2016. október 18-i határozata N 113. Hozzáférés dátuma: 2019. április 19. Archiválva : 2020. március 28. ; A 2011. június 8-i 2011/65/EU irányelv . Európai Parlament és az EU Tanácsa. Letöltve: 2019. május 16. Az eredetiből archiválva : 2021. január 25.
  16. A QLED és különbségei az OLED-től és a LED-től . ULTRA HD (2017. május 6.). Letöltve: 2019. április 17. Az eredetiből archiválva : 2019. április 17.
  17. Zdobnova T. A., Lebedenko E. N., Deev S. M. Quantum dots for molecular diagnostics of tumors  (orosz)  // Asta Naturae: folyóirat. - 2011. - V. 3 , 1. szám (8) . - S. 32-52 .
  18. A kvantumpontok tulajdonságai
  19. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher stb. al. A nem funkcionalizált nanokristályok kihasználhatják a sejtek aktív szállítógépezetét, és eljuttatják őket meghatározott nukleáris és citoplazmatikus részekhez  //  Nano Lett : Journal. - 2007. - 7. szám (11) . - S. 3452-3461 .
  20. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Małgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell stb. al. Sejttípus-specifikus intracelluláris nanoméretű korlátok vizsgálata méretre hangolt kvantumpontok segítségével  //  Small: Journal. - 2009. - 5. sz . - S. 2581-2588 .
  21. Oleinikov V. A. Quantum dots - nanoscale sensors for medicine and biology  (angol)  // Nature  : Journal. - Tudomány , 2010. - 3. sz . - S. 22-28 .
  22. Megkezdődött a kvantumpont kijelzők gyártása . MEMBRÁNA (2010. június 4.). Letöltve: 2019. április 15. Az eredetiből archiválva : 2010. július 10.
  23. Az MMD, QD Vision bemutatja a világ első kvantumpontos monitorát . businesswire. Letöltve: 2019. április 17. Az eredetiből archiválva : 2019. április 10.
  24. 2018-ban a kvantumpontos LCD TV-k eladásaiban felülmúlták az OLED-eket, de bevételkiesést szenvedtek el . STEREO & VIDEO (2019. március 12.). Letöltve: 2019. április 15. Az eredetiből archiválva : 2022. március 8..
  25. Az első kereskedelmi forgalomban lévő kvantumpont lámpák . NANO NEWS NET (2009. május 7.). Letöltve: 2019. április 24. Az eredetiből archiválva : 2019. április 24..
  26. 1 2 A cég „apró pöttyök” ígérete, hogy a teljes megújulóenergia-ipart a feje tetejére állítja . StockGumshoe (2017. február 15.). Letöltve: 2019. április 24. Az eredetiből archiválva : 2019. április 24..
  27. A kvantumpontos napelemek hatékonysága tovább növekszik . NANO NEWS NET (2017. november 1.). Letöltve: 2019. április 24. Az eredetiből archiválva : 2019. április 24..
  28. Napelemes ablakokat a Quantum Dot Breakthrough tette lehetővé . International Business Times (2014. április 17.). Letöltve: 2019. április 24. Az eredetiből archiválva : 2019. április 24..
  29. Az IQDEMY megoldások betakarítása. Kvantumpontok és a polimer . IQDEMY (2018. szeptember 20.). Letöltve: 2019. április 25. Az eredetiből archiválva : 2019. április 25.
  30. Kvantumpontok. Egyedülálló anyag kriptovédelmi rendszerek számára . LLC "NTIC "Nanotech-Dubna" (2011). Letöltve: 2019. április 25. Az eredetiből archiválva : 2018. december 22.
  31. GeoSplit LLC . geosplit.ru. Letöltve: 2020. március 23. Az eredetiből archiválva : 2020. február 4.
  32. Vasilkov A. Miért van szükségük a tévéknek kvantumpontokra vagy nanotechnológiákra a mindennapi életben ? COMPUTERRA (2013. január 17.). Letöltve: 2019. április 18. Az eredetiből archiválva : 2019. április 17.
  33. A Samsung kvantumambiciói . AbbGroup 2016. november 24. Letöltve: 2019. április 18. Az eredetiből archiválva : 2019. április 17.
  34. Kadmiummentes kvantumpontok . Nanoco csoport. Letöltve: 2019. május 16. Az eredetiből archiválva : 2019. május 18.
  35. A Samsung 2015-ben bemutathatja a kadmiummentes kvantumpontos LCD TV-ket . Oled-info (2014. október 22.). Letöltve: 2019. április 18. Az eredetiből archiválva : 2021. január 16.
  36. Detinich G. Merck Korea anyagokat mutatott be a "futurisztikus" kijelzőkhöz . 3Dnews (2017. október 21.). Letöltve: 2019. április 18. Az eredetiből archiválva : 2019. április 18..  - a világ legnagyobb folyadékkristálygyártója
  37. Kvantumpontok előállítása kolloid szintézissel . RUSNANO. Letöltve: 2019. április 23. Az eredetiből archiválva : 2019. április 23.
  38. Elindult a kolloid kvantumpontok előállításának első szakasza . Ideje az innovációnak. Letöltve: 2019. április 23. Az eredetiből archiválva : 2019. április 23.
  39. LLC "NTIC Nanotech-Dubna" . Nalog.io (2019. április 23.). Archiválva az eredetiből 2019. április 23-án.

Linkek