En kvanteprik er et fragment af en leder eller halvleder (for eksempel InGaAs , CdSe , CdS eller GaInP/ InP ), hvis ladningsbærere ( elektroner eller huller ) er begrænset i rummet i alle tre dimensioner. Størrelsen af en kvanteprik skal være så lille, at kvanteeffekter er betydelige [1] . Dette opnås, hvis elektronens kinetiske energi er mærkbart større end alle andre energiskalaer: primært større end temperatur , udtrykt i energienheder.
Energispektret for en kvanteprik er diskret; det afhænger af kvanteprikkens dimensioner og ladningsbærerens potentielle energiprofil i den. Anslåede afstande mellem tilstødende stationære energiniveauer er af størrelsesordenen (hvor ħ er den reducerede Planck-konstant , d er den karakteristiske størrelse af et punkt, m er den effektive masse af en elektron i et punkt). Som et resultat indtager de elektroniske og optiske egenskaber af kvantepunkter en mellemposition mellem en bulk-halvleder og et diskret molekyle [1] .
Kort sagt er en kvanteprik en halvleder, hvis elektriske egenskaber afhænger af dens størrelse og form. Jo mindre krystal, jo større er afstanden mellem energiniveauerne. For eksempel, når en elektron bevæger sig til et lavere energiniveau , udsendes en foton ; da vi kan kontrollere størrelsen af kvanteprikken, kan vi ændre energien af den udsendte foton, hvilket betyder, at vi kan ændre farven på det lys, der udsendes af kvanteprikken. Den største fordel ved en kvanteprik er muligheden for højpræcisionskontrol over dens størrelse og dermed over dens ledningsevne [2] , hvilket giver dig mulighed for at skabe fluoroforer af forskellige farver fra det samme materiale ved hjælp af den samme teknik.
Kvanteprikker af forskellige størrelser kan samles til gradient flerlags nanofilm.
Energispektret af en kvanteprik bestemmes af den potentielle energiprofil for en partikel i den og kan findes ved at løse den tredimensionelle stationære Schrödinger-ligning .
For eksempel, hvis i området , , og uden for dette område, så
,hvor , , er naturlige tal , svarende til energiniveauerne i en kvantebrønd med uendelige vægge .
Hvis i et sfærisk område og uden for det (dette er en af de passende tilnærmelser for reelle punkter), så [3]
,hvor er et ikke-negativt heltal , og er den -. rod af Bessel-funktionen af et halvt heltalsindeks ; for vil være , og for andre er der tabeller med nuller [4] .
Endelig, hvis (en tredimensionel kvanteharmonisk oscillator , som også er en god tilnærmelse for reelle punkter; = const), så [5]
.Kvanteprikker blev først opnået i 1981 af Alexei Ekimov [6] [K 1] og derefter, i 1983, af Louis Bruce i kolloide opløsninger [8] [9] . Teorien om kvanteprikker blev først introduceret af Alexander Efros i 1982 [10] . A. I. Ekimov, A. L. Efros og L. Bruce blev tildelt R.V. Wood Prize (2006) for opdagelsen af kvanteprikker [11] . Udtrykket "quantum dot" blev opfundet af Mark Reed .[12] . De første kvanteprikker var CuCl- mikrokrystaller dyrket i glas [6] [K 1] . I 1993 dukkede en metode til syntese af kvanteprikker ud fra cadmiumselenid i form af kolloide nanokrystaller, hvor hver kvanteprik er et isoleret objekt [13] . Fluorescenskvanteudbyttet af sådanne prikker var kun 10 % [14] . Dens betydelige stigning blev opnået ved dannelsen af en skal omkring kernen.
I juni 2013 blev der publiceret en artikel i Physical Review Letters med resultaterne af en opdagelse gjort af forskere fra Indian Institute of Science i Bangalore . Ifølge ham lyser kvanteprikker skabt på basis af en legering af zink, cadmium og svovl dopet med mangan , ikke kun i orange, som tidligere antaget, men lyser i området fra mørkegrøn til rød. Den praktiske betydning af opdagelsen er, at kvanteprikker lavet af legeringer dopet med mangan er stærkere, mere effektive og sikrere.
De mest undersøgte er kvanteprikker baseret på cadmiumselenid . Men med fremkomsten af lovgivning, der begrænser brugen af materialer baseret på tungmetaller [15] , begyndte teknologier at udvikle sig hen imod produktion af kvanteprikker, der ikke indeholder cadmium.
Der er to typer kvanteprikker (i henhold til skabelsesmetoden):
De fleste af egenskaberne ved QD'er, herunder farven på stråling, afhænger af størrelsen, formen og materialerne, de er lavet af.
En kvanteprik kan være en halvlederkrystal , hvor kvantestørrelseseffekter realiseres på grund af en ret lille størrelse. En elektron i sådan en mikrokrystal føles som en elektron i en tredimensionel potentialbrønd , den har mange stationære energiniveauer med en karakteristisk afstand imellem dem ; det nøjagtige udtryk for energiniveauerne afhænger af prikkens form. I lighed med overgangen mellem energiniveauerne af et atom, kan en foton udsendes under overgangen mellem energiniveauerne i en kvanteprik . Det er også muligt at kaste en elektron til et højt energiniveau, og modtage stråling fra overgangen mellem lavere liggende niveauer ( luminescens ). Samtidig er det, i modsætning til rigtige atomer, nemt at styre overgangsfrekvenserne ved at ændre størrelsen på krystallen. Faktisk tjente observationen af luminescensen af cadmiumselenidkrystaller med en luminescensfrekvens bestemt af krystallens størrelse som den første observation af kvanteprikker.
I øjeblikket er mange eksperimenter afsat til kvanteprikker dannet i en todimensionel elektrongas . I en todimensionel elektrongas er elektronernes bevægelse vinkelret på planet allerede begrænset, og området på planet kan isoleres ved hjælp af gatemetalelektroder overlejret på heterostrukturen ovenfra. Kvanteprikker i en todimensionel elektrongas kan forbindes ved tunnelkontakter med andre områder af den todimensionelle gas, og ledning gennem kvanteprikken kan studeres. I et sådant system observeres fænomenet Coulomb-blokade .
En kvanteprik består af en kerne og en beskyttende skal lavet af et materiale med et bredere båndgab . Det reducerer defekter på overfladen af kernen, hvilket fører til en stigning i fluorescenskvanteudbyttet op til 90%, forhindrer nedbrydning af kvanteprikken og frigivelse af giftige cadmiumioner. Kernematerialet kan være CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg legeringer; skaller - ZnS, CdS, ZnSe. Kvanteprikker til biomedicinsk forskning har yderligere to lag: en stabilisator og et lag af inerte molekyler ( peptider , lipider ) eller en neutral hydroxylskal. Stabilisatoren - en silicium-, polymer- eller silikoneskal - giver beskyttelse af indre strukturer mod aggressive miljøpåvirkninger, bestemmer kvanteprikkers evne til at sprede sig til opløsningsmidler og muligheden for at pode forskellige biologisk aktive molekyler til deres overflade, hvilket vil levere kvanteprikker til de ønskede væv og celler. Lipider bruges til at reducere ikke-specifik binding [17] .
Kvanteprikker kan have forskellige former og størrelser, men oftest er de kugler med en diameter på 2-10 nm, og de består af 10 3-10 5 atomer [ 1] .
Kvanteprikker er lovende materialer inden for medicin, biologi, optik, optoelektronik , mikroelektronik, trykning og energi.
Kolloide kvanteprikker er en god erstatning for traditionelle fosfor, både organiske og uorganiske. De overgår dem i fotostabilitet, fluorescenslysstyrke og har også nogle unikke egenskaber [18] . De optiske egenskaber af disse nanokrystaller bliver brugt i de mest uventede applikationer, der kræver bekvem, justerbar luminescens, såsom biologisk forskning. For eksempel trænger kvanteprikker af forskellig størrelse ind i forskellige dele af celler og farver dem i forskellige farver [19] [20] .
Kvanteprikker bliver i stigende grad brugt som biomarkører til billeddannelse i medicin , for eksempel til farvning af tumorer eller autoimmune antistoffer, lægemiddellevering til det ønskede væv (ved at binde lægemidler til nanopartikler kan man mere præcist målrette dem mod tumorer) [21] .
Indtil for nylig var den udbredte brug af kvanteprikker i elektronik udelukket, men i de senere år har en række virksomheder lanceret produkter på markedet, der bruger disse nanopartikler. Blandt de annoncerede produkter er både eksperimentelle prøver og masseprodukter. Tilbage i 2010 skabte LG Display de første prototypeskærme baseret på kvanteprikker [22] . I 2015 samarbejdede TPV Technology med QD Vision om at udvikle og kommercialisere den første kvanteprik-baserede forbrugermonitor 276E6ADS [23] . I øjeblikket er quantum dot baggrundsbelyste LCD-paneler ( QD-LED ) installeret i deres tv'er af Samsung , LG Electronics , Sony , TCL Corporation , Hisense . Der er et program til at lave displayenheder, hvor kvanteprikkerne selv vil fungere som lysudsender [24] .
Mulige anvendelser af kvanteprikker: felteffekttransistorer , fotoceller , lysdioder , laserdioder [1] . Nexxus Lighting udgav en LED-lampe i 2009 ved hjælp af kvanteprikker [25] .
Med udgangspunkt i QD kan der laves belægninger, der ændrer emissionen af eksisterende lyskilder eller sollys, som fx kan påføres i landbruget for at omdanne ultraviolet lys til rødt, hvilket er nyttigt for planter.
Kvanteprikker bruges også i hybridsolceller som et materiale, der omdanner solenergi til jævnstrøm. Anvendelsen af kvanteprikker i flerlagssolceller gør det muligt at opnå en mere effektiv absorption af solstråling, da de kan absorbere lys i et bredere område (inklusive infrarødt og ultraviolet) end traditionelle solceller [26] .
UbiQD, National Renewable Energy Laboratory, Los Alamos National Laboratory er ved at udvikle en luminescerende solar concentrator (LSC) baseret på kvanteprikker [27] [28] .
Kvanteprikker kan inkluderes i blækket for at beskytte dokumenter og værdipapirer mod forfalskning [29] [30] .
Kvanteprikker er en af de primære kandidater til at repræsentere qubits i kvanteberegning .
I olie- og gasindustrien bruges kvanteprikker i GeoSplits horisontale brøndmarkørteknologi [31] .
Der er to hovedmetoder til at skabe kvanteprikker: epitaksi og kolloid syntese .
Epitaksi er en metode til at dyrke krystaller på overfladen af et substrat:
For det meste dyrkes forbindelser fra grundstofferne III (Ga, Al, In) og V (As, P, Sb) i den periodiske tabel gruppe - A III B V. Halvlederlasere og mikrobølgetransistorer er blevet skabt på basis af sådanne QD'er.
Kolloid syntese , hvor stoffer blandes i opløsning. Ved hjælp af kolloid syntese er det muligt at opnå nanokrystaller belagt med et lag af adsorberede overfladeaktive molekyler. De er således opløselige i organiske opløsningsmidler og efter modifikation også i polære opløsningsmidler. Af særlig interesse er fluorescerende kvanteprikker opnået ved kolloid syntese, for eksempel kvanteprikker baseret på cadmiumchalcogenider, afhængigt af deres størrelse, fluorescerer i forskellige farver.
Kvanteprikker til skærme er fremstillet af Nanosys. Hun præsenterede sin QDEF (Quantum Dot Enhancement Film) teknologi på Society for Information Display (SID) udstillingen.) i 2011. De første licenstagere af denne teknologi var Samsung Electronics og 3M .
I 2004 blev QD Vision Laboratory (USA, Lexington (Massachusetts) ) grundlagt for at udvikle QLED- teknologi . Oprindeligt skulle det fremstille direkte subpixler af displaymatricen ud fra kvanteprikker, men teknologien viste sig at være kompleks og dyr, og virksomheden koncentrerede sig om at forbedre baggrundsbelysningen på LCD-skærme baseret på kvanteprikker [32] . Det var muligt at introducere teknologien i produktionen af tv takket være samarbejdet med LG, Sony, TCL Group og Samsung, som købte QD Vision i 2016 [33] .
Nanoco har sin egen teknologi til produktion af cadmiumfrie kvanteprikker, etableret i 2001 i Manchester . Virksomheden producerer CFQD ® film til displays og havebrugsbelysning [34] . Dens fabrik ligger i Runcorn .
QD materialer er fremstillet af Dow Chemical . I 2013 modtog hun en licens fra Nanoco til at producere, markedsføre og sælge sine materialer. I 2015 havde Dow Chemical bygget en fabrik i Cheonan (Sydkorea) og lanceret produktionen af cadmiumfrie kvanteprikker [35] . I stedet bruges indium . De første tv'er med denne teknologi blev præsenteret af Samsung og LG på CES 2015.
Merck Group er ved at udvikle sin egen QD-teknologi[36] .
I Rusland, i 2011-2014, blev kvanteprikker under mærket QDLight produceret af mikrovirksomheden Scientific and Technological Testing Center Nanotech-Dubna som en del af et fælles projekt med RUSNANO og Federal State Unitary Enterprise Research Institute of Applied Acoustics [37] [ 38] . I 2017 blev det likvideret [39] .
Kvanteprikker til at skabe solceller er produceret af Quantum Materials Corporation og dets datterselskab Solterra Renewable Technologies ved hjælp af deres egen patenterede teknologi [26] og QD Solar.
![]() | |
---|---|
I bibliografiske kataloger |
|