Квантовые точки: полиграфия и другие области применения. Технологии квантовых точек
Квантовые точки и зачем их ставят / Хабр
Ваш покорный слуга решил все же разобраться что такое квантовые точки и с чем их едят.
Вместо введения
Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом.- ħ — приведённая постоянная Планка;
- d — характерный размер точки;
- m — эффективная масса электрона на точке
Типы квантовых точек
Различают два типа:- эпитаксиальные квантовые точки;
- коллоидные квантовые точки.
Конструкция квантовых точек
Обычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трех мерной потенциальной яме и имеет много стационарных уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями и как следствия получаем люминесценцию. Собственно, именно наблюдение данного явления и послужило первым наблюдением квантовых точек.Теперь о дисплеях
История полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей, т.е. каждый цветной пиксель с квантовой точкой может включаться и выключаться тонкоплёночным транзистором.Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. После чего в слой квантовых точек запрессовывается резиновый штамп с гребенчатой поверхностью, отделяется и штампуется на стекло или гибкий пластик. Так осуществляется нанесение полосок квантовых точек на подложку. В цветных дисплеях каждый пиксель содержит красный, зелёный или синий субпиксель. Соответственно эти цвета используются с разной интенсивностью для получения как можно большего количества оттенков.
Следующим шагом в развитии стала публикация статьи ученными из Индийского Института Науки в Бангалоре. Где было описаны квантовые точки которые люминесцируют не только оранжевым цветом, но и в диапазоне от темно-зеленого до красного.
Чем ЖК хуже?
Основное отличие QLED-дисплея от ЖК состоит в том, что вторые способны охватить только 20-30% цветового диапазона. Так же в телевизорах QLED отпадает необходимость в использовании слоя с светофильтрами, так как кристаллы при подаче на них напряжения излучают свет всегда с четко определенной длиной волны и как результат с одинаковым цветовым значением. Так же были новости о продаже компьютерного дисплея на квантовых точках в Китае. К сожалению, воочию проверить, в отличии от телевизора мне еще не довелось.P.S. Стоит отметь что область применения квантовых точек не ограничивается только LED — мониторами, помимо всего прочего они могут применяться, в полевых транзисторах, фотоэлементах, лазерных диодах, так же проходят исследование возможности применение их в медицине и квантовых вычислениях.
P.P.S. Если же говорить о моем личном мнении, то я считаю, что ближайший десяток лет популярностью пользоваться они не будут, не из-за того, что мало известны, а потому, как цены на данные дисплеи заоблачные, но все же хочется надеяться, что квантовые точки найдут свое применение и в медицине, и буду использоваться не только для увеличения прибыли, но и в благих целях.
habr.com
Квантовые точки: ЖК-технология обретает новое дыхание
Изображение на экране телевизора формируется из маленьких цветных точек, по три на пиксел картинки. Сегодня большинство моделей используют технологию на базе жидких кристаллов, которые играют роль заслонки, в нужный момент времени становясь почти прозрачными и пропуская к зрителю свет от системы подсветки.
За последние десять лет индустрия достигла значительного прогресса в изготовлении как самих пленок с жидкими кристаллами, так и электроники, отдающей команды на изменение состояния молекул. Это позволило добиться впечатляющей скорости обновления картинки, высокой контрастности изображения, больших углов обзора. Однако жидкие кристаллы – лишь часть цепочки превращения электрических сигналов в видимый свет. Видимый свет! Вот на чем сегодня сконцентрированы усилия разработчиков. В частности, разработчиков Samsung с новой технологией QLED, которая сегодня используется во флагманских телевизорах компании.
В борьбе за лучший свет
Существующие современные технологии подсветки матриц предусматривают использование светодиодов. Именно они дают белый свет (вариант с тремя цветными, красным, зеленым и синим светодиодами лишь частный случай, их свет смешивается в нужной пропорции для получения белого света). Светодиоды экономичны, малогабаритны, просты в изготовлении и монтаже, относительно безвредны с точки зрения экологии. Однако у светодиодов есть один существенный недостаток: качество излучаемого ими света.
Для получения триады RGB при использовании белого источника света необходим еще один элемент – светофильтр. В результате прохождения сквозь него света элементы изображения получают нужную окраску, однако при этом естественно теряется их яркость. Потерю можно компенсировать увеличивая общую яркость подсветки, правда расплачиваясь за такое улучшение ростом энергопотребления.
Впрочем, есть еще одна проблема, которая не решается простым увеличением яркости. Она связана с тем, что светофильтр способен лишь отсечь ненужную часть спектра, а добавить – нет.
Интенсивность на разных участках спектра у светодиодов сильно меняется, и это мешает получению правильной цветопередачи в широком диапазоне яркостей. Кстати, относительная ограниченность цветового охвата имеет те же корни. Никакой светофильтр, никакие алгоритмы предварительной обработки сигнала не позволят привнести в кадр цвета, которые экран физически не в состоянии показать.
Выход был найден. Электролюминесценция (образование света под воздействием электричества на различные материалы) у «классических» светодиодов это хорошо, но лучших результатов можно добиться если комбинировать электролюминесценцию для получения возбуждающего излучения (кстати, не всегда в видимой части спектра), а собственно свет для подсветки «добывать» благодаря технологии фотолюминесценции.
Синие светодиоды производят волны с большим запасом энергии. Настолько большим, что его хватает для возбуждения люминофоров, производящих все цвета для получения белого света путем оптического смешения. В фотолюминесценции есть один нюанс: спектр излучения люминофора очень зависит от размеров его частиц. Комбинируя нужные, инженеры смогли добиться отличного соотношения интенсивности в основных частях спектра.
Откуда взялся термин «квантовые точки»?. Все дело в том, что светятся очень маленькие частички вещества, единицы их измерения – нанометры, миллиардные доли метра. Если быть точным, то от двух до десяти нанометров. Для сравнения: диаметр эритроцита, одного из основных компонентов крови, 7000-10000 нанометров.
К счастью, особой точности для распределения квантовых точек по поверхности матрицы не требуется, ведь для работы с одной ячейкой нужно огромное количество светоизлучающих элементов. Сегодня технологии производства позволяют формировать участки нужных размеров достаточно просто и недорого, причем поверхность матрицы может быть не только ровной, но и изогнутой.
Компания Samsung в 2011 году показала дисплей с диагональю 4 дюйма, а спустя буквально несколько лет ее инженеры добились увеличения этого показателя более чем на порядок и промышленных объемов выпуска с экономически выгодными показателями выхода готовых изделий.
Технология получила название QLED. Исследования показывают, что она не просто дешевле в производстве даже по сравнению с «классическими» жидкокристаллическими панелями, но и обеспечивает длительный срок службы изделий и еще ряд качественных преимуществ. При этом, ежегодно компания Samsung усовершенствует материал квантовых точек, например в этом году будут в продаже QLED телевизоры с улучшенным составом квантовых точек (формула и дополнительное покрытие).
Квантовые точки и новые стандарты качества
Технология квантовых точек дает возможность выпускать телевизоры, удовлетворяющие новым требованиям, главные из которых – высокая яркость и расширенный цветовой охват. Именно они лежат в основе недавно появившихся стандартов, прежде всего HDR 10. Он требует, чтобы яркость экрана в нитах или, как принято в системе Си, канделах на квадратный метр, достигала 1000.
Системы подсветки на квантовых точках позволяют обеспечить такую яркость, сохраняя при этом другой важный параметр изображения – контрастность. Благодаря фотолюминесценции, светоотдача значительно возрастает, но дело не только в КПД.
Как и в «обычном» экране, в QLED-панели белый свет сначала разделяется на три базовых, а затем яркость каждого субпиксела регулируется матрицей из жидких кристаллов для получения нужного цвета. Однако из-за провалов в интенсивности спектра белого света из светодиодной системы подсветки матрица и светофильтры должны компенсировать этот недостаток. Для сохранения правильной цветопередачи искусственно снижается общая яркость экрана. QLED, как уже отмечалось, имеет лучший спектральный состав света и поэтому от матрицы и светофильтров требуется меньше компромиссов.
Квантовые точки позволили добиться яркого и спектрально качественного белого света, вдохнув новую жизнь в технологию производства экранов на жидких кристаллах.
Почему киноиндустрия стала требовать столь высокую яркость? Задача вовсе не превратить ваш новый телевизор в еще один источник освещения для гостиной. Просто общее развитие технологий позволило внедрить HDR. HDR – расширенный динамический диапазон – улучшает восприятие картинки, содержащей одновременно очень светлые и очень темные участки, поскольку в них не теряются детали и сохраняются цвета. Другими словами, телевизор начинает показывать даже минимальные отличия, например, появляется тонкая фактура снега, детали облаков, листья в ночном лесу и т.д.
HDR-данные содержат не 8-битовую информацию о каждом из RGB-каналов а 10-битовую, а в перспективе разрядность может вырасти. Это позволяет кодировать больше градаций как яркости, так и цвета (на самом деле в RGB-модели они взаимосвязаны), что на практике означает расширение цветового охвата.
Поскольку технология квантовых точек позволяет улучшить спектральный состав света, панель с такой системой подсветки не только ярче, она физически способна отобразить больше оттенков. Например, текущее поколение QLED во флагманских телевизорах Samsung отображает в 64 раза больше оттенков, чем при глубине цвета 8 бит (16 млн оттенков).
Улучшение заметно при передаче очень плавных по яркости, но существенно различающихся по цветам плавных переходов, например, ясного неба перед восходом Солнца или на закате.
* * *
Совсем недавно эксперты сходились во мнении, что излучающие технологии формирования изображения имеют однозначное преимущество перед блокирующими. Однако квантовые точки буквально вдохнули в них новую жизнь. Сегодня преимущества QLED, подтвержденные наличием реальных телевизоров Samsung на полках магазинов, дают покупателю реальную возможность выбора.
itc.ua
Что такое квантовые точки? Кратко, доступно, информативно
Дата: 22.04.2017 | Рубрика: IPTV
Любое вещество микроскопического размера — это наночастица, материал, используемый исследователями нанотехнологий для разработки и создания новых технологий, основанных на применении элементов в этой крошечной форме. Читаем внимательно, потому что надо будет немного вникнуть в суть текста.
Что такое квантовые точки?Квантовые точки — это наночастицы, изготовленные из любого полупроводникового материала, такого как кремний, селенид кадмия, сульфид кадмия или арсенид индия, которые светятся определенным цветом после освещения светом.
Цвет, которым они светятся, зависит от размера наночастицы. Путем размещения квантов разного размера можно добиться наличия красного, зеленого и синего цвета в каждом пикселе экрана дисплея, что даст возможность создания полного спектра цветов в этих пикселях (любой существующий цвет получается путем смешивания этих цветов).
Когда квантовые точки освещаются УФ светом, некоторые из электронов получают достаточную энергию, чтобы освободиться от атомов. Эта способность позволяет им перемещаться вокруг наночастицы, создавая зону проводимости, в которой электроны могут свободно перемещаться по материалу и проводить электричество.
Как это работаетКогда электроны опускаются на внешнюю орбиту вокруг атома (валентной зоны), они испускают свет. Цвет этого света зависит от разности энергий между зоной проводимости и валентной зоной.
Чем меньше наночастица, тем выше разность энергий между валентной зоной и зоной проводимости, что приводит к более глубокому синему цвету. Для большей наночастицы разница в энергии между валентной зоной и зоной проводимости ниже, что смещает свечение в сторону красного.
Еще по теме: «Как выбрать хороший телевизор самостоятельно».
Квантовые точки и дисплеи
Для ЖК-дисплеев преимущества многочисленны. Давайте рассмотрим самые важные и интересные особенности, которые получили ЖК-экраны от квантовых точек.
Более высокая пиковая яркость
Одной из причин, по которой производители так «млеют» от квантовых точек — это возможность создавать экраны с гораздо большей пиковой яркостью, чем при использовании других технологий. В свою очередь, повышенная пиковая яркость дает гораздо большие возможности для использования HDR и Dolby Vision.
Dolby Vision — это стандарт видеоизображения, который имеет расширенный динамический диапазон, то есть очень большую разницу света между самой яркой и самой темной точкой на экране, что делает изображение более реалистичным и контрастным.
Dolby VisionЕсли вы не в курсе, то разработчики постоянно пытаются сыграть Господа Бога и создать то, что создал он (ну или кто там все это создал вокруг нас, может быть вселенная?), только перенести это на экран.
То есть, например, обычное небо в ясный день имеет яркость примерно 20000 нит (ед. измерения яркости), в то время как лучшие телевизоры могут предоставить яркость около 10 меньше. Так вот, стандарт Dolby Vision пока впереди планеты всей, но до Создателя им еще очень далеко :)
Соответственно, экраны на квантовых точках — это еще один шаг к более яркому изображению. Возможно мы когда-нибудь сможем увидеть практически настоящий рассвет и/или закат, а может и другие неповторимые чудеса природы, не выходя из дома.
Лучшая цветопередача
Еще одно большое преимущество квантовых точек — улучшение цветовой точности. Так как в каждом пикселе есть КТ красного, синего и зеленого цвета, это дает возможность получить доступ к полной палитре цветов, что, в свою очередь, позволяет добиться невероятного количества оттенков любого цвета.
Улучшенное время автономной работы мобильных устройств
Экраны на квантовых точках обещают иметь не только превосходного качества изображения, но и обладать исключительно низким энергопотреблением.
Квантовые точки и Samsung QLED
Телевизоры на квантовых точках от Samsung, или просто QLED, на самом деле не совсем на квантовых точках в правильном понимании этой технологии. QLED — это скорее гибрид, что-то среднее между квантовыми точками и экранами LED. Почему? Потому, что в этих телевизорах до сих пор используется светодиодная подсветка, а в настоящем экране на квантовых точках свет должен создаваться именно точками.
Samsung QLEDПоэтому, пусть даже новые телевизоры от южнокорейского гиганта и показывают лучше, чем обычные LED-экраны, они все же не телевизоры на квантовых точках, а телевизоры с квантовыми точками вместо светофильтра.
Как-то так. Спасибо, что читали.
Понравилась статья? Лучшей благодарностью для меня будет Ваш репост этой страницы в социальных сетях:
Комментарии:
samnastroyu.ru
Квантовые точки - Мастерок.жж.рф
Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах.
Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом.
Энергетический спектр квантовой точки дискретен, а расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера самой квантовой точки как — ħ/(2md^2 ), где:ħ — приведённая постоянная Планка;d — характерный размер точки;m — эффективная масса электрона на точке
Если же говорить простым языком то квантовая точка — это полупроводник, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы.Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон; так как можно регулировать размер квантовой точки, то можно и изменять энергию испускаемого фотона, а значит, изменять цвет испускаемого квантовой точкой света.
Типы квантовых точекРазличают два типа:эпитаксиальные квантовые точки;коллоидные квантовые точки.
По сути они названы так по методам их получения. Подробно говорить о них не буду в силу большого количества химических терминов. Добавлю только, что при помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях, после модификации — также в полярных растворителях.
Конструкция квантовых точекОбычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трех мерной потенциальной яме и имеет много стационарных уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями и как следствия получаем люминесценцию. Собственно, именно наблюдение данного явления и послужило первым наблюдением квантовых точек.
Теперь о дисплеяхИстория полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей, т.е. каждый цветной пиксель с квантовой точкой может включаться и выключаться тонкоплёночным транзистором.
Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. После чего в слой квантовых точек запрессовывается резиновый штамп с гребенчатой поверхностью, отделяется и штампуется на стекло или гибкий пластик. Так осуществляется нанесение полосок квантовых точек на подложку. В цветных дисплеях каждый пиксель содержит красный, зелёный или синий субпиксель. Соответственно эти цвета используются с разной интенсивностью для получения как можно большего количества оттенков.
Следующим шагом в развитии стала публикация статьи ученными из Индийского Института Науки в Бангалоре. Где было описаны квантовые точки которые люминесцируют не только оранжевым цветом, но и в диапазоне от темно-зеленого до красного.
Чем ЖК хуже?Основное отличие QLED-дисплея от ЖК состоит в том, что вторые способны охватить только 20-30% цветового диапазона. Так же в телевизорах QLED отпадает необходимость в использовании слоя с светофильтрами, так как кристаллы при подаче на них напряжения излучают свет всегда с четко определенной длиной волны и как результат с одинаковым цветовым значением.
Жидкокристаллические дисплеи состоят из 5 слоев: источником является белый свет, излучаемый светодиодами, который проходит через несколько поляризационных фильтров. Фильтры, расположенные спереди и сзади, в совокупности с жидкими кристаллами управляют проходящим световым потоком, понижая или повышая его яркость. Это происходит благодаря транзисторам пикселей, влияющие на количество света, проходимое через светофильтры (красный, зеленый, синий).
Сформированный цвет этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов происходит довольно «гладко», но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий попросту невозможно. Камнем преткновения выступают фильтры, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый ряд различных по длине волн. К примеру, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.
Стоит отметь что область применения квантовых точек не ограничивается только LED — мониторами, помимо всего прочего они могут применяться, в полевых транзисторах, фотоэлементах, лазерных диодах, так же проходят исследование возможности применение их в медицине и квантовых вычислениях.
Светодиод излучает свет при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны (e) переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. В результате полученные фотоны (P) имеют различную энергию, что выражается в различной длине волн излучения.
Стабилизация света квантовыми точкамиВ телевизорах QLED в качестве источника света выступают квантовые точки — это кристаллы размером лишь несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением. Данный эффект достигается мизерными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве. Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. К примеру, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.
Массовое производство синих кристаллов очень сложное и затратное, поэтому представленный в 2013 году компанией Sony телевизор не является «породистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых их дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока.
Ученые построили теорию формирования широко распространенного класса квантовых точек, которые получают из содержащих кадмий и селен соединений. В течение 30 лет разработки в этом направлении во многом полагались лишь на метод проб и ошибок. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Квантовые точки — это наноразмерные кристаллические полупроводники с примечательными оптическими и электронными свойствами, благодаря которым они уже нашли применение во многих областях исследований и технологий. Они обладают промежуточными свойствами между объемными полупроводниками и отдельными молекулами. Однако в процессе синтеза этих наночастиц остаются неясные моменты, так как полностью понять, как взаимодействуют реагенты, некоторые из которых высокотоксичны, ученые не смогли.
Тодд Краусс и Ли Френетт из Рочестерского университета собираются изменить эту ситуацию. В частности, они выяснили, что в процессе реакции синтеза появляются токсичные соединения, которые использовали для получения первых квантовых точек 30 лет назад. «По сути дела мы отправились "назад в будущее" благодаря нашему открытию, — поясняет Краусс. — Оказалось, что применяемые сегодня более безопасные реактивы превращаются именно в те самые вещества, использование которых пытались избежать десятилетиями. Они же, в свою очередь, реагируют с образованием квантовых точек».
По словам авторов, открытие обеспечит три важных вещи.
Во-первых, оно уменьшит количество догадок при производстве квантовых точек на основе кадмия или селена, что приводило к несоответствиям и невоспроизводимости, мешавшим поиску промышленного применения.Во-вторых, предупредит исследователей и компании, работающие с синтезом квантовых точек в больших объемах, что они по-прежнему имеют дело с такими опасными веществами, как селеноводород и алкил-кадмиевые комплексы, хотя и неявно.В-третьих, прояснит химические свойства фосфинов, применяемых во многих процессах синтеза квантовых точек при высокой температуре.
[источники]Источники:https://mediapure.ru/matchast/kvantovye-tochki-quantum-dot-led-novaya-texnologiya-proizvodstva-displeev/https://indicator.ru/news/2017/12/19/kvantovye-tochki/?utm_source=indivk&utm_medium=social&utm_campaign=himiki-otpravilis-nazad-v-buduschee--chthttps://habr.com/post/316810/
masterok.livejournal.com
История развития технологии квантовых точек
Введение. Данная статья является частью научно-исследовательской работы и магистерской диссертации, выполненной по плану обучения в магистратуре СПБГЭТУ «ЛЭТИ» в рамках дисциплины «История и методология электроники». В ходе работы над докладом и рефератом по этой дисциплине, были исследованы вопросы истории развития технологии получения квантовых точек (КТ), а также области их применения, обобщенные в этой статье. Основные методы получения и физико-химические свойства низкоразмерных объектов рассмотрены в [1, 2]. Особенности исследований, проводимых в УНЛ «Наноматериалы» СПбГЭТУ, связаны с применением коллоидных квантовых точек (ККТ) в биологии и медицине. Специфика таких исследований описана в [3–5]. Преимущества ККТ по сравнению с традиционными флуорофорами приведены в [6]. В настоящее время основные усилия направлены на получение ККТ с гидрофильными свойствами внешней оболочки [7, 8].
Цель данной работы — изучение исторических аспектов возникновения и развития технологии квантовых точек в рамках концептуальных схем развития химии, предложенных русским химиком и философом В. И. Кузнецовым [9].
Некоторые общие сведения о квантовых точках. Квантовая точка — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны и дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенны. Обычно размеры квантовых точек лежат в интервале от 1 до 50 нм.
Свойства квантовых точек отличны от свойств объемных материалов, прежде всего это касается зонной структуры (расстояние между энергетическими уровнями в квантовых точках зависит от размеров квантовых точек). Таким образом, изменяя размеры получаемых квантовых точек, можно варьировать их свойства. В силу этого, в кругу учёных квантовые точки часто называют «искусственными атомами».
Синтез ККТ — химическая технология, поэтому в данной статье будет уделено особое внимание истории развития химической науки. Для этого определим концептуальную систему химии.
Концептуальная система в химии — система взаимосвязанных теорий, объединённых общими фундаментальными принципами, понятиями, законами, методами и проблемами. Теорию концептуальных схем развития химии создал и развивал В. И. Кузнецов совместно с другими химиками, историками науки, философами. [9]
Выделяют четыре концептуальные схемы:
1. Учение о составе;
2. Структурная химия;
3. Учение о химическом процессе;
4. Эволюционная химия.
По мере развития химии происходит не смена, а последовательное появление новых концептуальных схем. В настоящее время развитие химии происходит параллельно: как на каждом из четырёх уровней, так и путем подъема с нижних уровней на высшие, то есть от одной концептуальной схемы к другой. [9]
Первая концептуальная система химии — учение о составе. Здесь были поставлены две основных проблемы: проблема химического элемента и проблема зависимости свойств вещества от его химического состава. Основной постулат учения о составе: свойства веществ определяются их составом, то есть тем, из каких химических элементов и в каком их соотношении образовано данное вещество. Вещество рассматривается как совокупность атомов. Датой зарождения этой концепции можно считать античные времена (учение Демокрита об атомистике, римские достижения в химии), однако время окончательного становления этой системы — период высокого средневековья и расцвет алхимии.
Вторая концептуальная система — структурная химия. Её основной постулат состоит в том, что свойство вещества определяется структурой молекул вещества, то есть не только составом, но и порядком соединения атомов между собой и их расположением в пространстве. Объект исследования структурной химии — молекула как единое целое. Появление этой концепции относится к началу 19-ого века; с этого времени химия превращается из аналитической науки в синтетическую.
Третья концептуальная система — учение о химическом процессе. Основная идея этой системы — свойство вещества определяется его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Появление этой концепции связано с накоплением экспериментальных данных, которые не могли быть объяснены со старых теоретических позиций. Речь идет о зависимости свойств веществ от концентрации реагентов, внешних условий и окружающей среды, в которой находится система, а также от наличия в системе веществ (катализаторов, ингибиторов, растворителей, примесей, и т. д.), стехиометрически не участвующих в химической реакции. Предметом изучения данной концепции является вся химическая кинетическая система, для которой само вещество, его состав и структура его молекул рассматриваются как подсистема, как часть системы. Теоретические обоснования для новых эмпирических данных обеспечили статическая механика и термодинамика, химическая термодинамика, химическая кинетика и теория каталитических реакций. Создание учения о химическом процессе позволило решать вопросы управления химическими реакциями и процессами, создать новую химическую терминологию. Расцвет этой концепции приходится на вторую половину 19-ого века.
Четвертая концептуальная система — эволюционная химия. Это система ещё только формируется и связана с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов до живых организмов.
Основные вехи в становление эволюционной химии:
- Эффект самосовершенствования каталитических систем (А. Гуотми и Р. Каннингем 1958–1960 гг.)
- Теория саморазвития открытых каталитических систем (А. П. Руденко 1964–1969 гг.)
- Теория гиперциклов (М. Эйген — лауреат Нобелевской премии по химии 1967 г.)
- Супрамолекулярная химия (Жан-Мари Лен — лауреат Нобелевской премии по химии 1987г.)
Обратим более пристальное внимание на теорию гиперциклов и понятие супрамолекулярной химии.
Гиперцикл — способ объединения самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические циклы. Гиперциклы, которые сами по себе ещё чистая химия, уже обладают некоторыми признаками живого: круговорот веществ и энергии, воспроизведение с наследованием информации, приспособляемость к изменяющимся условиям. Гиперциклы подвержены дарвинскому естественному отбору, но не на уровне видов, а на уровне молекул, то есть это гипотеза о молекулярной эволюции, приведшей к созданию первой живой клетки, использующей генетический код для матричного синтеза белка. [10]
Супрамолекулярная химия — междисциплинарная область науки, включающая химические, физические и биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий.
Супрамолекулярная самосборка — процесс спонтанной ассоциации двух и более компонентов, приводящий к образованию супермолекул или полимолекулярных ансамблей, происходящий за счет нековалентных взаимодействий.
Супрамолекулярные ансамбли — полимолекулярные ассоциаты, возникающие в результате спонтанной ассоциации неопределённо большого числа компонентов в специфическую фазу, характеризуемую более или менее определённой организацией на микроскопическом уровне и макроскопическими свойствами, зависящими от природы фазы (плёнка, слой, мембрана, мезоморфная фаза, кристалл и т. д.). [11]
Основные классы супрамолекулярных ансамблей по Ж.-М. Лену:
- Мицеллы;
- Липосомы;
- Мембраны;
- Жидкие кристаллы.
Мицеллы — частицы в коллоидных системах, состоят из нерастворимого в данной среде ядра очень малого размера (единицы-десятки нанометров), окруженного стабилизирующей оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя. [12]
Зачастую коллоидные квантовые точки являются мицеллами, таким образом, их можно рассматривать как самоорганизующиеся системы [13–15], что ставит квантовые точки в ряд передовых материалов нанотехнологий не только с позиции их уникальных свойств, но и с эволюционно-философской точки зрения.
История развития технологии квантовых точек
30-ые годы — добавление наноматериалов в стекло (Роксбай заметил, что вставка CdSe в стекло приводит к изменению его оттенка).
Начало 80-ых годов — обнаружение размернозависимых эффектов в полупроводниках встроенных в стекло (Екимов).
1983 г. — обнаружение размерных эффектов в коллоидных квантовых точках (Брюс)
Середина 80-ых годов — низкотемпературные методы синтеза КТ в мицеллах (Штайгервальд)
Начало 90-ых годов — высокотемпературный органический синтез коллоидных квантовых точек на основе халькогенидов кадмия (координирующий раствор ТОРО, Т = 573 К, прекурсоры диметилкадмия и ТОРSe) (Мюррей).
Настоящее время — использование более совершенных и менее токсичных поверхностно активных веществ (напр., жирные кислоты или амины), вариации прекурсоров и условий синтеза.
Несмотря на относительно небольшую историю, технологии квантовых точек уже успели завоевать популярность в научном сообществе. На эти технологии возлагают большие надежды в таких областях как медицина, солнечная энергетика, QLED-технология, квантовые компьютеры и т. д. Уже сейчас квантовые точки начинают внедряться в серийное производство дисплеев и диагностического оборудования [16], а ученые синтезируют новые формы квантовых точек [17], которые показывают заманчивые возможности для будущего применения.
В заключение можно сказать о том, что технологии квантовых точек имеют гораздо большее будущее, чем прошлое, и, возможно, через несколько десятилетий эти технологии встанут в ряд с открытиями, изменившими историю человеческой жизни.
Литература:
1. Васильев Р. Б., Дирин Д. Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. — МГУ, Москва, 2007. — С. 50.
2. Шик А. Я., Бакуева Л. Г., Мусихин С. Ф., Рыков С. А. Физика низкоразмерных систем — СПб.: Наука, 2001. 155 с.
3. Мусихин С. Ф., Александрова О. А., Лучинин В. В. и др Полупроводниковые коллоидные наночастицы в биологии и медицине //Биотехносфера. 2012. № 5–6 (23–24). С. 40–48.
4. Alivisatos A. P., Gu W., Larabell C. Quantum dots as cellular probes // Annual Review of Biomedical Engineering. 2005. Vol. 7. P. 55–76.
5. Олейников В. А. Полупроводниковые флуоресцентные нанокристаллы (квантовые точки) в белковых биочипах // Биоорганическая химия. 2011. T. 37, № 2. C. 171–189.
6. Мошников В. А., Александрова О. А., Дробинцева А. О. и др. От лазерной оптической микроскопии до флуоресцентной микроскопии высокого разрешения. Коллоидные квантовые точки — биомаркеры в поисковых научных исследованиях. //Биотехносфера. 2014. № 6 (36). С. 16–30.
7. Мазинг Д. С., Александрова О. А., Матюшкин Л.Б и др. Синтез коллоидных квантовых точек селенида кадмия в водной среде // Известия Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета ЛЭТИ. 2014. № 7. С. 15–19.
8. Mazing D. S., Aleksandrova О. А. Synthesis of cadmium selenide colloidal nanoparticlesstabilized with thioglycolic acid // Smart Nanocomposites. 2013. Т. 4. № 2. С. 17–23.
9. Кузнецов В. И. Общая химия: тенденции развития. М.: Высшая школа, 1989. стр.26.
10. М.Эйген, П.Шустер. «Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул», Изд-во «Мир», М., 1982, 270 стр.
11. Лен Ж.-М. Супрамолекулярная химия. Концепции и перспективы. — Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998. — 333 с.
12. Захарченко В. Н. Коллоидная химия: Учеб. для для медико-биолог. спец. вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1989. — 238 с.: ил.
13. Тарасов С. А., Александрова О. А., Максимов А. И. и др. Исследование процессов самоорганизации квантовых точек сульфида // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2013. № 3 (101). С. 28–32.
14. Александрова О. А., Максимов А. И., Мараева Е. В. и др. Синтез и самоорганизация квантовых точек сульфида свинца для люминесцентных структур, полученных методом испарения коллоидного // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 2. С. 19–23.
15. Александрова О. А., Максимов А. И., Мошников В. А., Чеснокова Д.Б Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, исследование, применение. СПб.:, 2008.
16. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Учеб. пособие СПб.: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2009, 80 с.
17. Матюшкин Л. Б., Александрова О. А., Максимов А. И. и др. Особенности синтеза люминесцирующих полупроводниковых наночастиц в полярных и неполярных.//Биотехносфера. 2013. № 2 (26). С. 27–32.
moluch.ru
что повысит эффективность работы с одной из самых перспективных квантовых технологий
Сегодня любой человек, зайдя в магазин электроники, может увидеть телевизор на квантовых точках. Открытая в восьмидесятых годах прошлого века, одна из самых интересных квантовых технологий в наши дни постепенно добирается до потребителя. В последнее десятилетие благодаря развитию технологий коллоидного синтеза квантовые точки находят все большее применение в создании оптоэлектронных устройств — фотовольтаических элементов, светодиодов и фотоприемников, готовых по ряду свойств потеснить существующие аналоги. Какими преимуществами обладают новые устройства, готовы ли эти разработки выходить из лабораторий в массовое производство и какие задачи ученым еще предстоит решить в ближайшем будущем? На эти и другие вопросы ответила группа исследователей Университета ИТМО в обзорной статье, посвященной новым концепциям и прогрессу в изучении квантовых точек, а также их применению в оптоэлектронных устройствах. Материал опубликован в журнале Королевского химического общества (Великобритания) Journal of Materials Chemistry A.
Что такое квантовые точки?
Квантовые точки — это нанообъекты, не превышающие в размере десятка нанометров, которые обладают, в первую очередь, очень эффективными оптическими свойствами. Самое понятное для простого человека их свойство — люминисценция — может быть использовано в различных устройствах с экраном: телевизорах, смартфонах, ноутбуках.
Впервые квантовые точки были получены учеными в 1980-х годах прошлого века. А их активное применение началось в начале 90-х годов: в 1994 году появилось сообщение о первом светодиоде на основе квантовых точек, что стало серьезным толчком для развития электронных устройств. Новый виток в работе с квантовыми точками был связан с развитием технологии коллоидного синтеза, которая позволила существенно улучшить их характеристики, а также ускорить процесс получения. Дело в том, что в отличие от эпитаксиального способа получения квантовых точек, при котором ученым приходится фактически выращивать их слой за слоем, затрачивая достаточно большое количество времени и ресурсов, коллоидный синтез обеспечивает ключевое преимущество — возможность получить практически любой материал и транслировать те образцы, которые получились в лаборатории, в крупномасштабное производство, объясняет Александр Литвин, первый автор обзора, научный сотрудник центра «Информационные оптические технологии» Университета ИТМО.
Телевизор на квантовых точкахТаким образом, если раньше о широком применении квантовых точек не шло и речи, то уже в 2000-х годах технологии стали постепенно выходить из лабораторий. В последние годы целый ряд компаний выпустил на рынок продукцию с использованием этих наночастиц. Одни из первых прототипов дисплеев на основе квантовых точек выпустила компания LG, разработки первого полноцветного дисплея на основе квантовых точек (QLED) шесть лет назад представили исследователи из Samsung Electronics. А компания Nexxus Lighting выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек.
В каких еще областях квантовые точки доказывают свою эффективность?
Быстрое повышение эффективности устройств на основе квантовых точек было связано с разработкой эффективных методов синтеза и с оптимизацией архитектуры устройств.
«Оптоэлектроника является одним из тех направлений, в котором квантовые точки находят самое широкое применение. Фотовольтаические элементы, светодиодные устройства и фотоприемники — сегодня как раз в этих трех областях квантовые точки проявляют себя наиболее успешно, составляя конкуренцию уже существующим устройствам. Именно поэтому мы решили рассмотреть эту тему в рамках обзорной статьи. Но целью работы было не только описать и систематизировать классические примеры, но и проанализировать новые тренды во всех трех направлениях. Такие обзоры составляются не только для того, чтобы дать читателю возможность узнать что-либо новое, но и найти для себя важные перспективные направления в дальнейшей работе. Из других активно развивающихся приложений можно выделить биологию, медицину и сенсорику», — говорит Александр Литвин.
Александр ЛитвинВ настоящее время существует огромный выбор квантовых точек, которые покрывают практически весь оптический спектральный диапазон — от ультрафиолетового до инфракрасного, добавляет он. За несколько последних лет работа с квантовыми точками стала традиционной для многих лабораторий по всему миру. Исследования в этой области ведутся и в Университете ИТМО. Одни из последних посвящены изучению хиральности этих структур, а также возможности применять их в медицине. Группа ученых с участием Александра Литвина также работает над улучшением эффективности светоизлучающих устройств на основе квантовых точек. Так, в одной из последних работ исследователи работали над усилением люминесценции квантовых точек инфракрасного диапазона.
В новой, обзорной работе, которая была опубликована в Journal of Materials Chemistry A, ученые проанализировали архитектуры новейших устройств на основе квантовых точек, а также шаги, которые были предприняты для значительного повышения эффективности их свойств. Авторы рассматривают широкий спектр новых конструкций устройств, в частности, структуры с наногетеропереходом и гибридные композиции, включающие комбинации квантовых точек с оксидами металлов, плазмонными наночастицами, графеном и другими нанообъектами.
Помимо дисплеев, которые уже вышли на рынок, одним из перспективных и активно развивающихся уже сегодня применений квантовых точек является создание более доступных солнечных батарей. Как отмечает Александр Литвин, несмотря на то, что квантовые точки пока не могут обеспечить высокую эффективность по сравнению с уже существующими аналогами, они позволят существенно снизить стоимость производства фотовольтаических элементов, сделать его более экологичным, а также создавать устройства на гибких подложках.
Антенны на квантовых точкахКакие задачи предстоит решить исследователям в будущем?
Несмотря на прогресс в разработке фотовольтаических устройств на основе квантовых точек, которые уже показали достаточно большой потенциал для дальнейшего развития, большинство устройств с использованием этих нанообъектов пока еще находится на достаточно ранней стадии исследований и не выходит за пределы лабораторий. Перед тем как вывести разработки на рынок, ученым предстоит преодолеть ряд важных этапов: отработать процесс производства материалов на больших масштабах, подтвердить безопасность материалов, а также обеспечить долгосрочную стабильность таких устройств. В последние годы появляется все больше сообщений об успешных работах в данных направлениях.
Помимо перехода лабораторных технологий в массовое производство, в будущем ученым также предстоит решить вопрос перехода к нетоксичным квантовым точкам в оптоэлектронных устройствах. Основная задача исследователей — сделать создаваемые устройства не только эффективными, но и экологичными и безопасными для пользователей, рассказывает Александр Литвин.
И наконец, третья задача, которую выделяют авторы обзора, — повышение эффективности устройств путем сочетания квантовых точек с другими нанообъектами и создание различных гибридных структур, которые позволяют сочетать полезные свойства нескольких материалов. Одними из перспективных компонентов в таких структурах могут выступать, например, 2D наноструктуры, такие как графен и сульфид молибдена.
Статья: A. P. Litvin, I. V. Martynenko, F. Purcell-Milton, A. V. Baranov, A. V. Fedorov and Y. K. Gun'ko, Colloidal quantum dots for optoelectronics, Journal of Materials Chemistry A, 2017
news.ifmo.ru
полиграфия и другие области применения
«Нанотехнологии» - слово со сложной историей и контекстом в русском языке, к сожалению, слегка дискредитированное. Однако если отвлечься от ироничного общественно-экономического подтекста, то можно констатировать, что нанотехнологии за последние годы из научно-теоретического концепта стали обретать формы, которые в обозримом будущем могут стать реальными коммерческими продуктами и войти в нашу жизнь.
Отличный пример тому – квантовые точки. Технологии с использованием наночастиц полупроводников постепенно находят себе применения в совершенно различных областях: медицина, полиграфия, фотовольтаика, электроника – некоторые из продуктов еще существуют на уровне прототипов, где-то технология реализована частично, а какие-то уже практически используются.
Так что такое «квантовая точка» и «с чем ее едят»?
Квантовая точка – это нанокристал неорганического полупроводникового материала (кремния, фосфида индия, селенида кадмия). «Нано» - значит измеряющийся в миллиардных долях, размеры таких кристаллов варьируются в пределах от 2 до 10 нанометров. Из-за такого малого размера электроны в наночастицах ведут себя совсем не так как в объемных полупроводниках.
Энергетический спектр квантовой точки неоднороден, в нем есть отдельные уровни энергии для электрона (отрицательно заряженной частицы) и дырки. Дыркой в полупроводниках называется незаполненная валентная связь, носитель положительного заряда численно равному электрону, она появляется, когда связь между ядром и электроном разрывается.
Если создаются условия, при которых носитель заряда в кристалле переходит с уровня на уровень, то при этом переходе излучается фотон. Изменяя размер частицы можно управлять частотой поглощения и длиной волны этого излучения. Практически же это значит, что в зависимости от размера частицы точки при облучении они будут светиться разным цветом.
Возможность контролировать длину волны излучения через размер частицы позволяет получать из квантовых точек устойчивые вещества, превращающие поглощаемую ими энергию в световое излучение – фотостабильные люминофоры.
Растворы на основе квантовых точек превосходят традиционные органические и неорганические люминофоры по ряду параметров, важных для тех областей практического применения, в которых необходима точная перенастраиваемая люминесценция.
Преимущества квантовых точек:
- Фотостабильны, сохраняют флуоресцентные свойства в течение нескольких лет.
- Высокая стойкость к фотовыцветанию: в 100 – 1000 раз выше, чем у органических флуорофоров.
- Высоких квантовый выход флуоресценции – до 90%.
- Широкий спектр возбуждения: от УФ до ИК (400 – 200 нм).
- Высокая чистота цвета из-за высоких пиков флуоресценции (25-40 нм).
- Высокая устойчивость к химической деградации.
Еще одним преимуществом, в особенности для полиграфии, является то, что на основе квантовых точек можно делать золи – высокодисперсные коллоидные системы с жидкой средой, в которой распределены мелкие частицы. А значит из них можно производить растворы, пригодные для струйной печати.
Области применения квантовых точек:
Защита документов и изделий от фальсификации: ценных бумаг, банкнот, удостоверений личности, штампов, печатей, сертификатов, свидетельств, пластиковых карт, товарных знаков. Система многоцветного кодирования на основе квантовых точек может быть коммерчески востребована для цветовой маркировки продукции в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, ювелирных изделий, произведений искусства.
Благодаря тому, что жидкая основа может быть водной или уф-отверждаемой, при помощи чернил с квантовыми точками можно маркировать практически любые объекты – для бумажных и других впитывающих основ - чернила на водной основе, а для невпитывающих (стекло, дерево, металл, синтетические полимеры, композиты) – уф-чернила.
Маркер в медицинских и биологических исследованиях. Благодаря тому, что на поверхность квантовых точек можно нанести биологические маркеры, фрагменты ДНК и РНК, реагирующие на определенный тип клеток, их можно использовать в качестве контраста в биологических исследованиях и диагностике рака на ранних стадиях, когда опухоль еще не определяется стандартными методами диагностики.
Использование квантовых точек в качестве флуоресцентных меток для изучения опухолевых клеток invitro– одна из наиболее перспективных и быстро развивающихся сфер применения квантовых точек в биомедицине.
Массовому внедрению этой технологии препятствует только лишь вопрос о безопасности применения контрастов с квантовыми точками в исследованиях invivo, так как большая часть из них производится из очень токсичных материалов, а размеры настолько малы, что они с легкостью проникают через любые барьеры организма.
Дисплеи на квантовых точках: QLED – технология создания дисплеев LCDсо светодиодной подсветкой на квантовых точках уже опробована передовыми производителями электроники. Применение этой технологии позволяет сократить энергопотребление дисплея, увеличить световой поток по сравнению с LED экранами на 25-30%, более сочные цвета, четкая цветопередача, глубина цвета, возможность делать экраны сверхтонкими и гибкими.
Прототип первого дисплея, по этой технологии был представлен компанией Samsungв феврале 2011, а первый компьютерный дисплей выпустила компания Philips.
В нем квантовые точки использованы для получения красного и зеленого цветов из спектра излучения синих светодиодов, что обеспечило близкую к естественной цветопередачу. В 2013 году компания Sony выпустила QLED экран, работающий по такому же принципу. В текущий момент эта технология производства больших экранов не имеет широкого применения из-за высокой себестоимости производства.
Лазер на квантовых точках. Лазер, рабочей средой которого являются квантовые точки в излучающей области, имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционными полупроводниковыми лазерами на основе квантовых ям. У них лучше характеристики по полосе частот, интенсивности шума, они менее чувствительны к изменениям температуры.
Благодаря тому, что изменение состава и размера квантовой точки позволяет управлять активной средой такого лазера, стала возможна работа на длинах волн, которые раньше были недоступны. Эта технология активно применяется на практике в медицине, с ее помощью был создан лазерный скальпель.
Энергетика
На основе квантовых точек также разработаны несколько моделей тонкопленочных солнечных батарей. В их основе лежит следующий принцип действия: фотоны света попадают на фотоэлектрический материал, содержащий квантовые точки, стимулируют появление пары электрона и дырки, энергия которых равна или превосходит минимальную энергию, необходимую электрону данного полупроводника для того, чтобы перейти из связанного состояния в свободное. Изменяя размеры нанокристаллов материала можно варьировать «энергетическую производительность» фотоэлектрического материала.
На основе этого принципа уже создано несколько оригинальных работающих прототипов различных видов солнечных батарей.
В 2011 г. исследователи из университета Нотр-Дама предложили «солнечную краску» на основе диоксида титана, нанесение которой может превратить любой объект в солнечную батарею. У нее довольно низкое КПД (всего 1%), но зато она дешева в производстве и может производиться в больших объемах.
В 2014 г. Ученые из Массачусетского технологического института представили метод изготовления солнечных элементов из ультратонких слоёв квантовых точек, КПД их разработки – 9%, а главное ноу-хау заключается в технологии объединения квантовых точек в пленку.
В 2015 г. Лаборатория Центра передовых технологий солнечной фотовольтаики в Лос-Аламосе предложила свой проект окон-солнечных батарей с КПД 3,2%, состоящих из прозрачного люминесцентного квантового концентратора, который может занимать достаточно большую площадь, и компактных солнечных фотоэлементов.
А вот исследователи из американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в поисках оптимального сочетания металлов для производства ячейки с максимальной квантовой эффективностью создали настоящего рекордсмена производительности – внутренняя и внешняя квантовая эффективность их батареи на тестах составила 114% и 130% соответственно.
Эти параметры не являются КПД батареи, которая сейчас показывает сравнительно небольшой процент – всего 4,5%, однако оптимизация сбора фотопотока и не являлась ключевой целью исследования, которая заключалась только в подборе наиболее эффективного сочетания элементов. Тем не менее стоит отметить, что до эксперимента NREL ни одна батарея не показывала квантовую эффективность выше 100%.
Как видим потенциально сферы практического применения квантовых точек широки и разнообразны, теоретические разработки ведутся сразу в нескольких направлениях. Массовому внедрению их в различных сферах препятствует ряд ограничений: дороговизна производства самих точек, их токсичность, несовершенство и экономическая нецелесообразность самой технологии производства.
В самом ближайшем будущем массовое распространение может получить система цветового кодирования и маркировки чернилами на основе квантовых точек. Понимая, что эта рыночная ниша пока не занята, но является перспективной и наукоемкой, компания IQDEMY в качестве одной из научно-исследовательских задач своей химической лаборатории (Новосибирск) определила разработку оптимальной рецептуры уф-отверждаемых чернил и чернил на водной основе, содержащие квантовые точки.
Первые полученные образцы печати впечатляют и открывают дальнейшие перспективы практического освоения этой технологии:
pechatnick.com
