Kvanteprik

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 20. september 2021; checks kræver 6 redigeringer .

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.

Energiniveauer i et kvantepunkt

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]

.

Forskningshistorie

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.

Typer af kvanteprikker

Der er to typer kvanteprikker (i henhold til skabelsesmetoden):

Fysiske og kemiske egenskaber

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 .

Quantum dot designs

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] .

Anvendelser af kvanteprikker

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] .

Metoder til opnåelse af kvanteprikker

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.

Produktion

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.

Se også

Kommentarer

  1. 1 2 Akademiker Zh. I. Alferov skrev om dette: "De første halvlederprikker - mikrokrystaller af forbindelser A II B VI , dannet i en glasmatrix, blev foreslået og implementeret af A. I. Ekimov og A. A. Onushchenko " [7] .

Kilder

  1. 1 2 3 4 Vasiliev R. B., Dirin D. N. Kvanteprikker : syntese, egenskaber, anvendelser . — Metodiske materialer. - Moskva: FNM MGU, 2007. - 34 s.
  2. www.evidenttech.com: Sådan fungerer kvanteprikker. . Arkiveret fra originalen den 1. februar 2010. Hentet 15. oktober 2009.
  3. L. A. Bugaev, A. S. Kasprzhitsky, Ya. V. Latokha. Retningslinjer for problemløsning i kvanteteori . Publishing House of Rostov State University (2006). - se eksempel 3.5, herunder på s. 33. Hentet 16. august 2021. Arkiveret fra originalen 16. august 2021.
  4. S. D. Algazin. På tabulering med høj præcision af nuller af Bessel-funktioner . Izv. Tula State University, Naturvidenskab, vol. 1, s. 132-141 (2013). - se pkt. 4: Nullpunkter for Bessel-funktionerne i halvheltalsindekset. Hentet 16. august 2021. Arkiveret fra originalen 16. august 2021.
  5. D. Bohm. Kvanteteori . Moskva: Videnskab (1965). - se s. 409-411. Hentet 16. august 2021. Arkiveret fra originalen 16. august 2021.
  6. 1 2 Ekimov A. I., Onushchenko A. A. Kvantestørrelseseffekt i tredimensionelle mikrokrystaller af halvledere Arkivkopi dateret 16. december 2014 på Wayback Machine // JETP Letters . - 1981. - T. 34. - S. 363-366.
  7. Alferov Zh. I. Halvlederheterostrukturers historie og fremtid  // Halvlederes fysik og teknologi. - 1998. - T. 32 , nr. 1 . - S. 12 .
  8. Nanoteknologi Tidslinje  . National Nanotechnology Initiative (26. november 2015). Dato for adgang: 14. december 2016. Arkiveret fra originalen 12. december 2016.
  9. Discovery of Quantum Dots (1981  ) . Jeremy Norman & Co., Inc. (2004-2016). Dato for adgang: 14. december 2016. Arkiveret fra originalen 20. december 2016.
  10. Quantum Dots Discovery . Hentet 15. august 2021. Arkiveret fra originalen 11. april 2021.
  11. " Til opdagelsen af ​​nanokrystal kvanteprikker og banebrydende undersøgelser af deres elektroniske og optiske egenskaber ".
  12. Reed MA, Randall JN, Aggarwal RJ, Matyi RJ, Moore TM, Wetsel AE Observation af diskrete elektroniske tilstande i en nuldimensionel halvledernanostruktur  //  Phys Rev Lett  : journal. - 1988. - Bd. 60 , nr. 6 . - S. 535-537 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.60.535 . - . — PMID 10038575 . (1988). [1] Arkiveret 21. maj 2013 på Wayback Machine
  13. Murray CB, Norris DJ, Bawendi MG Syntese og karakterisering af næsten monodisperse CdE (E = svovl, selen, tellur) halvleder nanokrystallitter  //  J. Am. Chem. soc. : magasin. - 1993. - Nr. 115 (19) . - S. 8706-8715 .
  14. Oleinikov V. A., Sukhanova A. V., Nabiev I. R. Fluorescerende halvledernanokrystaller i biologi og medicin  (neopr.) . — Russisk nanoteknologi. - 2007. - T. 2. - S. 160-173.
  15. TR EAEU 037/2016 . Beslutning truffet af Rådet for den eurasiske økonomiske kommission af 18. oktober 2016 N 113. Dato for adgang: 19. april 2019. Arkiveret den 28. marts 2020. ; Direktiv 2011/65/EU af 8. juni 2011 . Europa-Parlamentet og EU-rådet. Hentet 16. maj 2019. Arkiveret fra originalen 25. januar 2021.
  16. QLED og dens forskelle fra OLED og LED . ULTRA HD (6. maj 2017). Hentet 17. april 2019. Arkiveret fra originalen 17. april 2019.
  17. Zdobnova T. A., Lebedenko E. N., Deev S. M. Kvanteprikker til molekylær diagnostik af tumorer  (russisk)  // Asta Naturae: tidsskrift. - 2011. - V. 3 , nr. 1 (8) . - S. 32-52 .
  18. Egenskaber for kvantepunkter
  19. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al. Ikke-funktionaliserede nanokrystaller kan udnytte en celles aktive transportmaskineri og levere dem til specifikke nukleare og cytoplasmatiske rum  //  Nano Lett : Journal. - 2007. - Nr. 7 (11) . - S. 3452-3461 .
  20. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Małgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al. Undersøgelse af celletypespecifikke intracellulære nanoskalabarrierer ved hjælp af størrelsesjusterede kvanteprikker  //  Small: Journal. - 2009. - Nr. 5 . - S. 2581-2588 .
  21. Oleinikov V. A. Quantum dots - nanoskalasensorer til medicin og biologi  (engelsk)  // Nature  : journal. - Videnskab , 2010. - Nr. 3 . - S. 22-28 .
  22. Produktion af kvanteprikker er startet . MEMBRANA (4. juni 2010). Hentet 15. april 2019. Arkiveret fra originalen 10. juli 2010.
  23. MMD, QD Vision introducerer verdens første Quantum Dot Monitor . businesswire. Hentet 17. april 2019. Arkiveret fra originalen 10. april 2019.
  24. I 2018 solgte kvanteprikker LCD-tv'er OLED'er i salg, men tabte i omsætning . STEREO & VIDEO (12. marts 2019). Hentet 15. april 2019. Arkiveret fra originalen 8. marts 2022.
  25. Første kommercielle kvantepriklamper . NANO NEWS NET (7. maj 2009). Hentet 24. april 2019. Arkiveret fra originalen 24. april 2019.
  26. 1 2 Denne virksomheds 'små prikker' lover at vende hele industrien for vedvarende energi på hovedet . StockGumshoe (15. februar 2017). Hentet 24. april 2019. Arkiveret fra originalen 24. april 2019.
  27. ↑ Kvantepriksolcellers effektivitet fortsætter med at vokse . NANO NYHEDSNET (1. november 2017). Hentet 24. april 2019. Arkiveret fra originalen 24. april 2019.
  28. Solpanelvinduer gjort mulige af Quantum Dot Breakthrough . International Business Times (17. april 2014). Hentet 24. april 2019. Arkiveret fra originalen 24. april 2019.
  29. Høst af IQDEMY-løsninger. Kvanteprikker og polymeren . IQDEMY (20. september 2018). Hentet 25. april 2019. Arkiveret fra originalen 25. april 2019.
  30. Kvanteprikker. Unikt materiale til kryptobeskyttelsessystemer . LLC "NTIC "Nanotech-Dubna" (2011). Hentet 25. april 2019. Arkiveret fra originalen 22. december 2018.
  31. GeoSplit LLC . geosplit.ru. Hentet 23. marts 2020. Arkiveret fra originalen 4. februar 2020.
  32. Vasilkov A. Hvorfor har tv'er brug for kvanteprikker eller nanoteknologier i hverdagen . COMPUTERRA (17. januar 2013). Hentet 18. april 2019. Arkiveret fra originalen 17. april 2019.
  33. Samsungs kvanteambitioner . AbbGroup 24. november 2016. Hentet 18. april 2019. Arkiveret fra originalen 17. april 2019.
  34. Cadmiumfrie kvanteprikker . Nanoco Group. Hentet 16. maj 2019. Arkiveret fra originalen 18. maj 2019.
  35. Samsung introducerer muligvis cadmium-fri kvanteprikker LCD-tv i 2015 . Oled-info (22. oktober 2014). Hentet 18. april 2019. Arkiveret fra originalen 16. januar 2021.
  36. Detinich G. Merck Korea præsenterede materialer til "futuristiske" skærme . 3Dnews (21. oktober 2017). Hentet 18. april 2019. Arkiveret fra originalen 18. april 2019.  - verdens største producent af flydende krystaller
  37. Fremstilling af kvanteprikker ved kolloid syntese . RUSNANO. Hentet 23. april 2019. Arkiveret fra originalen 23. april 2019.
  38. Den første fase af produktionen af ​​kolloide kvanteprikker blev lanceret . Tid til innovation. Hentet 23. april 2019. Arkiveret fra originalen 23. april 2019.
  39. LLC "NTIC Nanotech-Dubna" . Nalog.io (23. april 2019). Arkiveret fra originalen den 23. april 2019.

Links