Kvanttipiste on johteen tai puolijohteen fragmentti (esimerkiksi InGaAs , CdSe , CdS tai GaInP / InP ), jonka varauksenkantajat ( elektroni tai reiät ) ovat tilassa rajoitettuja kaikissa kolmessa ulottuvuudessa. Kvanttipisteen koon on oltava niin pieni, että kvanttivaikutukset ovat merkittäviä [1] . Tämä saavutetaan, jos elektronin kineettinen energia on huomattavasti suurempi kuin kaikki muut energia-asteikot: ensisijaisesti suurempi kuin lämpötila energiayksiköissä ilmaistuna.
Kvanttipisteen energiaspektri on diskreetti, se riippuu kvanttipisteen mitoista ja siinä olevan varauksen kantajan potentiaalienergiaprofiilista . Arvioidut etäisyydet vierekkäisten stationaaristen energiatasojen välillä ovat suuruusluokkaa (missä ħ on pelkistetty Planckin vakio , d on pisteen ominaiskoko , m on elektronin tehollinen massa pisteessä). Tämän seurauksena kvanttipisteiden elektroniset ja optiset ominaisuudet ovat massapuolijohteen ja erillisen molekyylin välissä [1] .
Yksinkertaisesti sanottuna kvanttipiste on puolijohde, jonka sähköiset ominaisuudet riippuvat sen koosta ja muodosta. Mitä pienempi kristalli on, sitä suurempi on energiatasojen välinen etäisyys. Esimerkiksi kun elektroni siirtyy alemmalle energiatasolle , fotoni emittoituu ; koska voimme hallita kvanttipisteen kokoa, voimme muuttaa emittoidun fotonin energiaa, mikä tarkoittaa, että voimme muuttaa kvanttipisteen lähettämän valon väriä. Kvanttipisteen tärkein etu on sen koon ja siten sen johtavuuden tarkan hallinnan mahdollisuus [2] , mikä mahdollistaa eriväristen fluoroforien luomisen samasta materiaalista samalla tekniikalla.
Erikokoisia kvanttipisteitä voidaan koota gradienttimonikerroksisiksi nanofilmeiksi.
Kvanttipisteen energiaspektri määräytyy siinä olevan hiukkasen potentiaalisen energiaprofiilin mukaan ja se voidaan löytää ratkaisemalla kolmiulotteinen stationaarinen Schrödingerin yhtälö .
Jos esimerkiksi alueella , , ja tämän alueen ulkopuolella, niin
,jossa , ovat luonnollisia lukuja , jotka ovat samanlaisia kuin äärettömän seinämän kvanttikuivon energiatasot .
Jos pallomaisella alueella ja sen ulkopuolella (tämä on yksi riittävistä likiarvoista reaalipisteille), niin [3]
,jossa on ei-negatiivinen kokonaisluku ja puolikokonaislukuindeksin Besselin funktion -: s juuri ; sillä tulee olemaan , ja muille on olemassa nollien taulukoita [4] .
Lopuksi, jos (kolmiulotteinen kvanttiharmoninen oskillaattori , joka on myös hyvä approksimaatio reaalipisteille; = const), niin [5]
.Kvanttipisteet hankittiin ensimmäisen kerran vuonna 1981 Aleksei Ekimov [6] [K 1] ja sitten vuonna 1983 Louis Bruce kolloidisissa liuoksissa [8] [9] . Kvanttipisteiden teorian esitteli ensimmäisen kerran Alexander Efros vuonna 1982 [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros ja L. Bruce palkittiin R. V. Wood Prize -palkinnolla (2006) kvanttipisteiden löytämisestä [11] . Termin "kvanttipiste" keksi Mark Reed .[12] . Ensimmäiset kvanttipisteet olivatlasissa kasvatettuja CuCl -mikrokiteitä [6] [K 1] . Vuonna 1993 ilmestyi menetelmä kvanttipisteiden syntetisoimiseksi kadmiumselenidistä kolloidisten nanokiteiden muodossa, jossa jokainen kvanttipiste on eristetty esine [13] . Tällaisten pisteiden fluoresenssikvanttisaanto oli vain 10 % [14] . Sen merkittävä kasvu saavutettiin muodostamalla kuori ytimen ympärille.
Kesäkuussa 2013 Physical Review Lettersissa julkaistiin artikkeli , joka sisälsi Bangaloressa sijaitsevan Intian tiedeinstituutin tutkijoiden tekemän löydön . Hänen mukaansa mangaanilla seostetun sinkin, kadmiumin ja rikin seoksesta luodut kvanttipisteet eivät hohda vain oranssina, kuten aiemmin luultiin, vaan luminesoivat välillä tummanvihreästä punaiseen. Löydön käytännön merkitys on, että mangaanilla seostetuista seoksista tehdyt kvanttipisteet ovat vahvempia, tehokkaampia ja turvallisempia.
Tutkituimmat ovat kadmiumselenidiin perustuvia kvanttipisteitä . Mutta kun raskasmetalleihin perustuvien materiaalien käyttöä rajoittava lainsäädäntö [15] syntyi , teknologiat alkoivat kehittää kadmiumia sisältämättömien kvanttipisteiden tuotantoa.
Kvanttipisteitä on kahdenlaisia (luontimenetelmän mukaan):
Suurin osa QD:iden ominaisuuksista, mukaan lukien säteilyn väri, riippuu koosta, muodosta ja materiaaleista, joista ne on valmistettu.
Kvanttipiste voi olla puolijohdekide , jossa kvanttikokoiset efektit toteutuvat melko pienen koon vuoksi. Tällaisessa mikrokiteessä oleva elektroni tuntuu elektronilta kolmiulotteisessa potentiaalikaivossa , sillä on monia kiinteitä energiatasoja, joiden välillä on tyypillinen etäisyys ; energiatasojen tarkka ilmaisu riippuu pisteen muodosta. Samoin kuin atomin energiatasojen välinen siirtymä, fotoni voi säteillä kvanttipisteen energiatasojen välisen siirtymän aikana . On myös mahdollista heittää elektroni korkealle energiatasolle ja vastaanottaa säteilyä siirtymisestä alempien tasojen välillä ( luminesenssi ). Samaan aikaan, toisin kuin todellisissa atomeissa, siirtymätaajuuksia on helppo hallita muuttamalla kiteen kokoa. Itse asiassa kadmiumselenidikiteiden luminesenssin havainnointi kiteen koon määräämällä luminesenssitaajuudella toimi ensimmäisenä kvanttipisteiden havainnona.
Tällä hetkellä monet kokeet on omistettu kaksiulotteisessa elektronikaasussa muodostuneille kvanttipisteille . Kaksiulotteisessa elektronikaasussa elektronien liike kohtisuorassa tasoon nähden on jo rajoitettua, ja tasossa oleva alue voidaan eristää käyttämällä ylhäältä heterorakenteen päälle asetettuja hilametallielektrodeja. Kaksiulotteisen elektronikaasun kvanttipisteet voidaan yhdistää tunnelikontaktien avulla kaksiulotteisen kaasun muihin osiin ja kvanttipisteen läpi tapahtuvaa johtumista voidaan tutkia. Tällaisessa järjestelmässä havaitaan Coulombin salpausilmiö .
Kvanttipiste koostuu ytimestä ja suojakuoresta, joka on valmistettu materiaalista, jossa on leveämpi väli . Se vähentää vikoja ytimen pinnalla, mikä johtaa fluoresenssikvanttisaannon kasvuun jopa 90 %, estää kvanttipisteen hajoamisen ja myrkyllisten kadmiumionien vapautumisen. Ydinmateriaali voi olla CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg-seoksia; kuoret - ZnS, CdS, ZnSe. Biolääketieteellisen tutkimuksen kvanttipisteissä on kaksi kerrosta lisää: stabilointiaine ja kerros inerttejä molekyylejä ( peptidejä , lipidejä ) tai neutraali hydroksyylikuori. Stabilisaattori - silikoni-, polymeeri- tai silikonikuori - suojaa sisäisiä rakenteita aggressiivisilta ympäristövaikutuksilta, määrittää kvanttipisteiden kyvyn hajota liuottimiin ja mahdollisuuden oksastaa niiden pinnalle erilaisia biologisesti aktiivisia molekyylejä, jotka kuljettavat kvanttipisteitä halutut kudokset ja solut. Lipidejä käytetään vähentämään epäspesifistä sitoutumista [17] .
Kvanttipisteet voivat olla erimuotoisia ja -kokoisia, mutta useimmiten ne ovat palloja, joiden halkaisija on 2–10 nm ja ne koostuvat 10 3–10 5 atomista [ 1] .
Kvanttipisteet ovat lupaavia materiaaleja lääketieteessä, biologiassa, optiikassa, optoelektroniikassa , mikroelektroniikassa, painatuksessa ja energiassa.
Kolloidiset kvanttipisteet ovat hyvä korvike perinteisille fosforeille, sekä orgaanisille että epäorgaanisille. Ne ylittävät ne fotostabiilisuudessa, fluoresenssin kirkkaudessa ja niillä on myös joitain ainutlaatuisia ominaisuuksia [18] . Näiden nanokiteiden optisia ominaisuuksia käytetään mitä odottamattomimmissa sovelluksissa, jotka vaativat kätevää, säädettävää luminesenssia, kuten biologisessa tutkimuksessa. Esimerkiksi erikokoiset kvanttipisteet tunkeutuvat solun eri osiin ja värjäävät ne eri väreillä [19] [20] .
Kvanttipisteitä käytetään yhä enemmän biomarkkereina lääketieteen kuvantamiseen , esimerkiksi kasvainten tai autoimmuunivasta-aineiden värjäykseen, lääkkeiden toimittamiseen haluttuihin kudoksiin (kiinnittämällä lääkkeitä nanopartikkeleihin ne voidaan kohdistaa tarkemmin kasvaimiin) [21] .
Viime aikoihin asti kvanttipisteiden laaja käyttö elektroniikassa ei ollut kysymys, mutta viime vuosina monet yritykset ovat tuoneet markkinoille näitä nanohiukkasia käyttäviä tuotteita. Ilmoitettujen tuotteiden joukossa on sekä kokeellisia näytteitä että massatuotteita. Vuonna 2010 LG Display loi ensimmäiset prototyyppinäytöt, jotka perustuvat kvanttipisteisiin [22] . Vuonna 2015 TPV Technology teki yhteistyötä QD Visionin kanssa ensimmäisen kvanttipistepohjaisen kuluttajamonitorin 276E6ADS:n [23] kehittämiseksi ja kaupallistamiseksi . Tällä hetkellä Samsung , LG Electronics , Sony , TCL Corporation ja Hisense asentavat televisioihinsa kvanttipistetaustavalaistuja LCD-paneeleja ( QD-LED ) . On olemassa ohjelma näyttölaitteiden luomiseen, joissa kvanttipisteet itse toimivat valon säteilijöinä [24] .
Kvanttipisteiden mahdolliset sovellukset: kenttätransistorit , valokennot , LEDit , laserdiodit [1] . Nexxus Lighting julkaisi vuonna 2009 kvanttipisteitä käyttävän LED-lampun [25] .
QD:n perusteella voidaan valmistaa olemassa olevien valonlähteiden tai auringonvalon säteilyä muuttavia pinnoitteita, joita voidaan soveltaa esimerkiksi maataloudessa ultraviolettivalon muuttamiseksi kasveille hyödylliseksi punaiseksi.
Kvanttipisteitä käytetään myös hybridiaurinkokennoissa materiaalina, joka muuntaa aurinkoenergian tasavirraksi. Kvanttipisteiden käyttö monikerroksisissa aurinkokennoissa mahdollistaa tehokkaamman auringonsäteilyn absorption, koska ne voivat absorboida valoa laajemmalla alueella (mukaan lukien infrapuna- ja ultraviolettisäteily) kuin perinteiset aurinkokennot [26] .
UbiQD, kansallinen uusiutuvan energian laboratorio, Los Alamos National Laboratory on kehittämässä kvanttipisteisiin perustuvaa luminesoivaa aurinkokeskitintä (LSC) [27] [28] .
Musteeseen voidaan sisällyttää kvanttipisteitä asiakirjojen ja arvopapereiden suojaamiseksi väärentämiseltä [29] [30] .
Kvanttipisteet ovat yksi tärkeimmistä ehdokkaista kubittien esittämiseen kvanttilaskennassa .
Öljy- ja kaasuteollisuudessa kvanttipisteitä käytetään GeoSplitin vaakasuuntaisessa kaivomerkkitekniikassa [31] .
Kvanttipisteiden luomiseen on kaksi päämenetelmää: epitaksi ja kolloidinen synteesi .
Epitaksi on menetelmä kiteiden kasvattamiseksi substraatin pinnalle:
Enimmäkseen yhdisteitä kasvatetaan jaksollisen järjestelmän - A III B V -elementeistä III (Ga, Al, In) ja V (As, P, Sb). Tällaisten QD:iden pohjalta on luotu puolijohdelasereita ja mikroaaltotransistoreja.
Kolloidinen synteesi , jossa aineet sekoitetaan liuokseen. Kolloidisen synteesin avulla on mahdollista saada nanokiteitä, jotka on päällystetty kerroksella adsorboituja pinta-aktiivisia molekyylejä. Siten ne liukenevat orgaanisiin liuottimiin ja modifioinnin jälkeen myös polaarisiin liuottimiin. Erityisen kiinnostavia ovat kolloidisella synteesillä saadut fluoresoivat kvanttipisteet, esimerkiksi kadmiumkalkogenideihin perustuvat kvanttipisteet fluoresoivat koostaan riippuen eri väreissä.
Näyttöjen kvanttipisteet valmistaa Nanosys. Hän esitteli QDEF-teknologiansa (Quantum Dot Enhancement Film) Society for Information Display (SID) -näyttelyssä.) vuonna 2011. Tämän tekniikan ensimmäiset lisenssinsaajat olivat Samsung Electronics ja 3M .
Vuonna 2004 QD Vision Laboratory (USA, Lexington (Massachusetts) ) perustettiin kehittämään QLED- teknologiaa . Aluksi sen piti valmistaa näyttömatriisin osapikseleitä suoraan kvanttipisteistä, mutta tekniikka osoittautui monimutkaiseksi ja kalliiksi, ja yritys keskittyi parantamaan LCD-näyttöjen taustavaloa kvanttipisteiden perusteella [32] . Teknologia oli mahdollista ottaa käyttöön televisioiden tuotannossa yhteistyössä LG:n, Sonyn, TCL Groupin ja Samsungin kanssa, jotka ostivat QD Visionin vuonna 2016 [33] .
Nanocolla on oma teknologiansa kadmiumittomien kvanttipisteiden tuotantoon, perustettu vuonna 2001 Manchesterissa . Yritys valmistaa CFQD ® -kalvoja näyttöihin ja puutarhavalaistukseen [34] . Sen tehdas sijaitsee Runcornissa .
QD-materiaalit valmistaa Dow Chemical . Vuonna 2013 hän sai Nanocolta luvan valmistaa, markkinoida ja myydä materiaalejaan. Vuoteen 2015 mennessä Dow Chemical oli rakentanut tehtaan Cheonaniin (Etelä-Korea) ja aloittanut kadmiumittomien kvanttipisteiden tuotannon [35] . Sen sijaan käytetään indiumia . Samsung ja LG esittelivät ensimmäiset tällä tekniikalla varustetut televisiot CES 2015 -messuilla.
Merck Group kehittää omaa QD-teknologiaansa[36] .
Venäjällä mikroyritys Scientific and Technological Testing Center Nanotech-Dubna tuotti vuosina 2011–2014 QDLight-brändin alla olevia kvanttipisteitä osana yhteisprojektia RUSNANO : n ja liittovaltion yhtenäisen yrityksen soveltavan akustiikan tutkimuslaitoksen kanssa [37] [ 37] 38] . Vuonna 2017 se purettiin [39] .
Quantum Materials Corporation ja sen tytäryhtiö Solterra Renewable Technologies tuottavat aurinkokennojen luomiseen tarkoitettuja kvanttipisteitä käyttämällä omaa patentoitua teknologiaansa [26] ja QD Solaria.
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
|