Energiaegységben kifejezve. A kvantumpontokat az 1980-as évek elején Alekszej Ekimov fedezte fel üvegmátrixban és Louis E. Brus kolloid oldatokban. A "kvantumpont" kifejezést Mark Reid alkotta meg.

Lehetséges alkalmazás kvantumpontok: térhatású tranzisztorok, napelemek, LED, lézerdiódák. Feltárják a kvantumpontok biomarkerként való felhasználásának lehetőségeit a képalkotásban az orvostudományban, illetve a qubiteket a kvantumszámítástechnikában.

Egyszerűen fogalmazva, a kvantumpont egy félvezető, amelynek elektromos jellemzői a méretétől és alakjától függenek. Minél kisebb a kristály, annál nagyobb a távolság az energiaszintek között. Például, amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre mozog, foton bocsát ki; mivel szabályozhatjuk a kvantumpont méretét, megváltoztathatjuk a kibocsátott foton energiáját, ami azt jelenti, hogy megváltoztathatjuk a kvantumpont által kibocsátott fény színét. A kvantumpont fő előnye a méretének nagy pontosságú szabályozása, ami lehetővé teszi a vezetőképesség nagyon precíz szabályozását. kvantumpontok különböző méretű gradiens többrétegű nanofilmekké állítható össze.

A kvantumpontok típusai

Kétféle kvantumpont létezik (a létrehozás módjától függően):

• epitaxiális kvantumpontok;
• kolloid kvantumpontok.

Kvantumpont minták

Bármely kellően kicsi fémdarab vagy félvezető szolgálhat kvantumpontként. Történelmileg az első kvantumpontok valószínűleg kadmium-szelenid mikrokristályok voltak. Az ilyen mikrokristályban lévő elektron úgy érzi magát, mint egy háromdimenziós potenciálkút elektronja, sok stacionárius energiaszintje van, amelyek között jellegzetes távolság van (az energiaszintek pontos kifejezése a pont alakjától függ). Hasonlóan az atom energiaszintjei közötti átmenethez, a kvantumpont energiaszintjei közötti átmenet során foton bocsátható ki. Lehetőség van arra is, hogy egy elektront magas energiaszintre dobjunk, és sugárzást kapjunk az alacsonyabb szintek közötti átmenetből (lumineszcencia). Ugyanakkor a valódi atomoktól eltérően a kristály méretének változtatásával könnyen szabályozható az átmeneti frekvenciák. Valójában a kadmium-szelenid kristályok lumineszcenciájának megfigyelése a kristály mérete által meghatározott lumineszcencia frekvenciával volt a kvantumpontok első megfigyelése.

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

A kvantumpontok alkalmazásai

A kolloid kvantumpontok jól helyettesítik a hagyományos, szerves és szervetlen foszforokat. Kiválóak a fotostabilitásban, a fluoreszcencia fényerejében, és néhány egyedi tulajdonsággal is rendelkeznek.

Újabban kb széles körű alkalmazás A kvantumpontok szóba sem jöhettek, de az elmúlt években számos cég dobott piacra olyan terméket, amely ezeket a nanorészecskéket használja. A meghirdetett termékek között vannak kísérleti minták és tömegtermékek egyaránt. Például a cég megalkotta az első prototípus kijelzőket kvantumpontok alapján. Ezzel egy időben a Nexxus Lighting kiadott egy kvantumpontokat használó LED-lámpát, az orosz QDLight cég pedig a kvantumpontokra épülő termékek egész sorának kiadására készül az optoelektronika, a biztonság és a biztonság területén. Mezőgazdaság. A nanokristályok - kvantumpontok - optikai tulajdonságait a legváratlanabb vizsgálatokban használják, amelyek kényelmes, hangolható lumineszcenciát igényelnek, például a biológiai kutatásokban.

A kvantumpontok az egyik legfontosabb jelöltek a qubitek kvantumszámítási ábrázolására.

Van egy program a kvantumpontos kijelzők létrehozására - QD-LED.

Módszerek kvantumpontok előállítására

Szintézisséma CdSe-ZnSe kvantumpontokhoz

Két fő módszer létezik a kvantumpontok létrehozására:

• szintézis kolloidban, amelyben az anyagok oldatban keverednek
• epitaxia - kristályok termesztésének módszere a szubsztrát felületén

A kolloid szintézis segítségével adszorbeált felületaktív molekulákból álló réteggel bevont nanokristályokat lehet előállítani. Így szerves oldószerekben, módosítás után poláris oldószerekben is oldódnak. A szubsztrátumhoz kapcsolt kvantumpontok felhasználhatók például a nanoelektronika ígéretes alkalmazásaiban. Különösen érdekesek a kolloid szintézissel nyert fluoreszcens kvantumpontok, például a kadmium-kalkogenideken alapuló QD-k méretüktől függően különböző színekben fluoreszkálnak. Az érdekesség abban rejlik, hogy a spektrum széles tartományában nyelnek el energiát, és szűk spektrumú fényhullámokat bocsátanak ki.

Lásd még

• kvantumpont érintkezés

Megjegyzések

Linkek

Wikimédia Alapítvány. 2010 .

Nézze meg, mi a "kvantumpont" más szótárakban:

kvantumpont- Nanokristály széles abszorpciós spektrummal és szűk emissziós csúccsal Biotechnológiai témák EN quantum dot … Műszaki fordítói kézikönyv

Quantum dot kifejezés angol kvantum pont kifejezés Szinonimák nano dot Rövidítések QD, QD, ND Kapcsolódó kifejezések biokompatibilis bevonatok, kvantumdrót, kvantumkút, nanokristály, nanofarmakológia Meghatározás félvezető részecske…

A kvantumkriptográfia egy kommunikációs biztonsági módszer, amely a kvantumfizika elvein alapul. A hagyományos kriptográfiától eltérően, amely matematikai módszereket használ az információk titkosságának biztosítására, a kvantumkriptográfia ... ... Wikipédia

A kvantumkút egy potenciális kút, amely háromról két dimenzióra korlátozza a részecskék mobilitását, ezáltal kényszerítve őket, hogy sík rétegben mozogjanak. A kvantumméret-hatások akkor nyilvánulnak meg, amikor a kút hossza összemérhetővé válik a hosszával ... ... Wikipédia

A kvantumkút kifejezés enciklopédikus szótár nanotechnológia

A kvantumhuzal kifejezés angol kifejezés kvantumhuzal Szinonimák Rövidítések Kapcsolódó kifejezések félvezető heterostruktúra, kvantumpont, kvantumkút, litográfia Meghatározás Nanotechnológiai enciklopédikus szótár

- (hullámmechanika), olyan elmélet, amely megállapítja a mikrorészecskék (elem. h c, atomok, molekulák, atommagok) és rendszereik (például kristályok) leírásának módszerét és mozgástörvényeit, valamint a mennyiségek kapcsolatát. részecskék és rendszerek jellemzése, fizikaival méretek,...... Fizikai Enciklopédia

- (QCD), a kvarkok és gluonok erős hatásának kvantumtérelmélete, a kvantum képébe beépítve. elektrodinamika (QED) a "szín" mérőszimmetria alapján. A QED-től eltérően a QCD-ben a fermionok komplementerrel rendelkeznek. szabadsági fok kvantum. szám,… … Fizikai Enciklopédia

A kvantumtérelmélet a végtelen számú szabadságfokkal rendelkező rendszerek (fizikai mezők) kvantumelmélete. A kvantummechanika, amely a kvantummechanika általánosításaként merült fel (Lásd Kvantummechanika) a leírás problémájával kapcsolatban ... ... Nagy szovjet enciklopédia

- (QED), az interaktív e-mailek kvantumelmélete. magn. mezők és töltés. h c. Gyakran QED-nek nevezik a kvantumnak azt a részét. mezőelmélet, amelyben az el hatását veszik figyelembe. magn. és elektron-pozitron mezők. Email magn. a mező egy ilyen elméletben úgy jelenik meg, mint ... ... Fizikai Enciklopédia

Jó napszak, Khabrazhiteli! Azt hiszem, sokan észrevették, hogy egyre több reklám jelent meg a kvantumpont technológián alapuló kijelzőkről, az úgynevezett QD - LED (QLED) kijelzőkről, annak ellenére, hogy jelenleg ez csak marketing. A LED TV-hez és a Retinához hasonlóan ez is egy LCD kijelző technológia, amely kvantumpontos LED-eket használ háttérvilágításként.

Alázatos szolgád mégis úgy döntött, hogy kitalálja, mik azok a kvantumpontok, és mivel eszik őket.

Bevezető helyett

kvantumpont- olyan vezető vagy félvezető töredéke, amelynek töltéshordozói (elektronjai vagy lyukai) mindhárom dimenzióban térben korlátozottak. A kvantumpont méretének olyan kicsinek kell lennie, hogy a kvantumhatások jelentősek legyenek. Ez akkor érhető el, ha az elektron kinetikus energiája észrevehetően nagyobb az összes többi energiaskálánál: először is nagyobb, mint az energiaegységekben kifejezett hőmérséklet. A kvantumpontokat először az 1980-as évek elején Alexei Ekimov üvegmátrixban és Louis E. Brus kolloid oldatokban szintetizálta. A "kvantumpont" kifejezést Mark Reed alkotta meg.

A kvantumpont energiaspektruma diszkrét, és a töltéshordozó stacionárius energiaszintjei közötti távolság magának a kvantumpontnak a méretétől függ: - ħ/(2md^2), ahol:

1. ħ a redukált Planck-állandó;
2. d a jellemző pontméret;
3. m az elektron effektív tömege egy pontban

Ha beszélünk egyszerű nyelv akkor a kvantumpont olyan félvezető, amelynek elektromos jellemzői a méretétől és alakjától függenek.

Például, amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre mozog, foton bocsát ki; mivel lehetőség van a kvantumpont méretének szabályozására, lehetőség van a kibocsátott foton energiájának megváltoztatására is, ami a kvantumpont által kibocsátott fény színének megváltoztatását jelenti.

A kvantumpontok típusai

Két típusa van:

• epitaxiális kvantumpontok;
• kolloid kvantumpontok.

Valójában az előállítási módszerek szerint nevezik el őket. A kémiai kifejezések nagy száma miatt nem beszélek róluk részletesen (Google segítség). Csak annyit teszek hozzá, hogy kolloid szintézis segítségével adszorbeált felületaktív molekulákból álló réteggel bevont nanokristályokat lehet előállítani. Így szerves oldószerekben, módosítás után poláris oldószerekben is oldódnak.

Kvantumpontok felépítése

Általában a kvantumpont egy félvezető kristály, amelyben kvantumhatások valósulnak meg. Egy ilyen kristályban lévő elektron úgy érzi, mintha egy háromdimenziós potenciálkútban lenne, és sok álló energiaszinttel rendelkezik. Ennek megfelelően, amikor egyik szintről a másikra haladunk, a kvantumpont fotont bocsáthat ki. Mindezek mellett az átmenetek könnyen szabályozhatók a kristály méretének változtatásával. Lehetőség van arra is, hogy egy elektront magas energiaszintre dobjunk, és sugárzást kapjunk az alacsonyabb szintek közötti átmenetből, és ennek eredményeként lumineszcenciát kapunk. Valójában ez a megfigyelés ez a jelenségés a kvantumpontok első megfigyeléseként szolgált.

Most a kijelzőkről

A teljes értékű kijelzők története 2011 februárjában kezdődött, amikor a Samsung Electronics bemutatta a QLED kvantumpontokra épülő színes kijelző fejlesztését. Ez egy 4 hüvelykes kijelző volt, amelyet aktív mátrix hajtott, i.e. minden egyes színes kvantumpont pixel egy vékonyréteg tranzisztorral be- és kikapcsolható.

A prototípus elkészítéséhez egy réteg kvantumpont oldatot visznek fel a szilícium táblára, és oldószert permeteznek rá. Ezt követően egy fésűs felületű gumibélyegzőt préselnek a kvantumpontok rétegébe, szétválasztják és üvegre vagy rugalmas műanyagra bélyegzik. Így rakódnak le a kvantumpontokból álló csíkok a hordozóra. A színes kijelzőkön minden képpont tartalmaz egy piros, zöld vagy kék alpixelt. Ennek megfelelően ezeket a színeket különböző intenzitással használják, hogy minél több árnyalatot kapjanak.

A fejlesztés következő lépése a bangalore-i Indiai Tudományos Intézet tudósainak cikkének publikálása volt. Hol írták le azokat a kvantumpontokat, amelyek nem csak narancssárga, de a sötétzöldtől a vörösig is terjed.

Miért rosszabb az LCD?

A fő különbség a QLED kijelző és az LCD között, hogy utóbbi csak a színtartomány 20-30%-át tudja lefedni. Ezenkívül a QLED TV-kben nincs szükség fényszűrőkkel ellátott réteg használatára, mivel a kristályok, amikor feszültséget kapcsolnak rájuk, mindig jól meghatározott hullámhosszú és ennek eredményeként azonos színértékű fényt bocsátanak ki.

Egy kvantumpontos számítógép-kijelző eladásáról is érkeztek hírek Kínában. Sajnos a TV-vel ellentétben nem volt alkalmam saját szememmel ellenőrizni.

P.S.Érdemes megjegyezni, hogy a kvantumpontok hatóköre nem korlátozódik a LED-ekre - monitorok, többek között terepi hatású tranzisztorokban, fotocellákban, lézerdiódákban is használhatók, az orvostudományban való felhasználásuk lehetőségét is vizsgálják. és a kvantumszámítás.

P.P.S. Ha már az én személyes véleményemről beszélünk, akkor úgy gondolom, hogy a következő tíz évben nem lesznek népszerűek, nem azért, mert kevéssé ismertek, hanem azért, mert ezeknek a kijelzőknek az ára túlzottan magas, de mégis szeretném remélni, hogy kvantumpontok megtalálják majd alkalmazásukat az orvostudományban, és nem csak a profit növelésére, hanem jó célokra is felhasználják.

Címkék: Címkék hozzáadása

0

TANFOLYAM MUNKA

az "Orvosbiológiai transzducerek és érzékelőrendszerek" tudományágban

Kvantumpontok és az ezekre épülő bioszenzorok

Bevezetés. 3

kvantumpontok. Általános információ. 5

A kvantumpontok osztályozása. 6

Fotolumineszcens kvantumpontok. 9

Kvantumpontok megszerzése. tizenegy

Kvantumpontokat használó bioszenzorok. Alkalmazásuk kilátásai ben klinikai diagnosztika. 13

Következtetés. tizenöt

Bibliográfia. 16

Bevezetés.

A kvantumpontok (QD-k) izolált nanoobjektumok, amelyek tulajdonságai jelentősen eltérnek az azonos összetételű ömlesztett anyag tulajdonságaitól. Rögtön meg kell jegyezni, hogy a kvantumpontok inkább matematikai modellek, mint valós objektumok. És ez annak köszönhető, hogy nem lehet teljesen különálló struktúrákat kialakítani - a kis részecskék mindig kölcsönhatásba lépnek a környezettel, folyékony közegben vagy szilárd mátrixban.

A kvantumpontok megértéséhez és elektronikus szerkezetük megértéséhez képzeljünk el egy ókori görög amfiteátrumot. Most képzelje el, hogy egy lenyűgöző előadás bontakozik ki a színpadon, és a közönség tele van emberekkel, akik eljöttek megnézni a színészek játékát. Tehát kiderül, hogy az emberek viselkedése a színházban sok tekintetben hasonlít a kvantumpont (QD) elektronok viselkedéséhez. Az előadás során a színészek a nézőtér elhagyása nélkül mozognak az arénában, a közönség pedig maga követi az eseményeket a helyükről, és nem száll le a színpadra. Az aréna a kvantumpont alsóbb töltött szintjei, a közönség sorai pedig magasabb energiájú izgatott elektronikus szintek. Ugyanakkor, ahogy a néző a terem bármely sorában tartózkodhat, úgy az elektron a kvantumpont bármely energiaszintjét el tudja foglalni, de nem tud elhelyezkedni közöttük. Az előadásra jegyeket vásárolva a pénztárnál mindenki igyekezett a legtöbbet kihozni legjobb helyek- minél közelebb a színpadhoz. Valóban, hát ki akar az utolsó sorba ülni, ahonnan távcsővel sem látni a színész arcát! Ezért amikor a közönség az előadás kezdete előtt leül, a terem összes alsó sora megtelik, akárcsak a legalacsonyabb energiájú QD stacionárius állapotában, az alsó energiaszinteket teljesen elfoglalják az elektronok. Előfordulhat azonban, hogy előadás közben valamelyik néző elhagyja a helyét, mert például túl hangosan szól a zene a színpadon, vagy éppen egy kellemetlen szomszédot kaptak el, és átszállhat egy szabad felső sorba. Így egy kvantumpontban lévő elektron külső hatás hatására egy magasabb energiaszintre kényszerül, amelyet más elektronok nem foglalnak el, ami egy kvantumpont gerjesztett állapotának kialakulásához vezet. Valószínűleg azon tűnődsz, hogy mi történik azzal az üres hellyel az energiaszinten, ahol korábban az elektron volt – az úgynevezett lyukkal? Kiderül, hogy a töltéskölcsönhatások révén az elektron kapcsolatban marad vele, és bármelyik pillanatban visszamehet, ahogy a továbbjutott néző is mindig meggondolhatja magát, és visszatérhet a jegyén jelzett helyre. Az "elektron-lyuk" párját "excitonnak" nevezik angol szó"izgatott", ami azt jelenti, hogy "izgatott". A QD energiaszintjei közötti vándorlás, hasonlóan az egyik néző emelkedéséhez vagy süllyedéséhez, az elektron energiájának megváltozásával jár, ami megfelel egy fénykvantum (foton) abszorpciójának vagy emissziójának, amikor a elektron halad át magasabb vagy alacsonyabb szintre, ill. Az elektronok fent leírt viselkedése egy kvantumpontban diszkrét energiaspektrumhoz vezet, amely nem jellemző a makroobjektumokra, amelyeknél a QD-ket gyakran mesterséges atomoknak nevezik, amelyekben az elektronszintek diszkrétek.

A lyuk és az elektron közötti kötés erőssége (energiája) határozza meg az exciton sugarat, amely minden anyagra jellemző mennyiség. Ha a részecskeméret kisebb, mint az exciton sugara, akkor az exciton térben korlátozottnak bizonyul a mérete miatt, és a megfelelő kötési energia jelentősen megváltozik az ömlesztett anyaghoz képest (lásd "kvantumméret-effektus"). Nem nehéz kitalálni, hogy ha az exciton energiája megváltozik, akkor a gerjesztett elektron eredeti helyére való átmenete során a rendszer által kibocsátott foton energiája is megváltozik. Így különböző méretű nanorészecskék monodiszperz kolloid oldatainak előállításával az optikai spektrum széles tartományában lehet szabályozni az átmeneti energiákat.

kvantumpontok. Általános információ.

Az első kvantumpontok fém nanorészecskék voltak, amelyeket az ókori Egyiptomban szintetizáltak különféle üvegek színezésére (egyébként a Kreml rubincsillagokat is hasonló technológiával állították elő), bár a hagyományosabb és szélesebb körben ismert kvantumpontok a GaN félvezetők. CdSe nanokristályok szubsztrátjain és kolloid oldatán nevelt részecskék. Jelenleg sokféle módon lehet kvantumpontokat előállítani, például félvezető "heterostruktúrák" vékony rétegeiből "nanolitográfiával" "kivághatók", vagy spontán módon nanoméretű zárványok formájában alakíthatók ki. az egyik típusú félvezető anyag szerkezetei egy másik mátrixában. A "molekuláris nyaláb epitaxia" módszerével a szubsztrát és a lerakódott réteg egységsejtjének paramétereiben jelentős különbséggel, lehetővé válik a piramis alakú kvantumpontok növekedése a szubsztrátumon, a hordozó tulajdonságainak tanulmányozására. amelyet Zh.I. Alferov akadémikus Nobel-díjjal tüntetett ki. A szintézisfolyamatok körülményeinek szabályozásával elméletileg lehetséges bizonyos méretű, kívánt tulajdonságokkal rendelkező kvantumpontok előállítása.

A kvantumpontok magként és mag-héj heterostruktúraként is elérhetőek. Kis méretük miatt a QD-k tulajdonságai eltérnek a tömeges félvezetőkétől. A töltéshordozók mozgásának térbeli korlátozása kvantumméret-effektushoz vezet, ami az elektronikus szintek diszkrét szerkezetében fejeződik ki, ezért a QD-ket néha "mesterséges atomoknak" is nevezik.

Méretüktől és kémiai összetételüktől függően a kvantumpontok fotolumineszcenciát mutatnak a látható és közeli infravörös tartományban. A nagy (több mint 95%) méret egyenletesség miatt a javasolt nanokristályok szűk emissziós spektrummal rendelkeznek (fluoreszcencia csúcs félszélessége 20-30 nm), ami fenomenális színtisztaságot biztosít.

A kvantumpontok nem poláris szerves oldószerekben, például hexánban, toluolban, kloroformban vagy száraz porok formájában készült oldatok formájában is szállíthatók.

A QD-k még „fiatal” kutatási tárgynak számítanak, de az új generációs lézerek és kijelzők tervezésében való alkalmazásukra vonatkozó széles körű kilátások már nyilvánvalóak. A QD-k optikai tulajdonságait a tudomány legváratlanabb területein alkalmazzák, ahol az anyag hangolható lumineszcens tulajdonságaira van szükség, például az orvosi kutatásokban lehetőség nyílik a beteg szövetek „megvilágítására” a segítségükkel.

A kvantumpontok osztályozása.

A kvantumpontok kolloid szintézise bőséges lehetőséget kínál mind a különböző félvezető anyagokon alapuló kvantumpontok, mind a különböző geometriájú (alakú) kvantumpontok előállításában. Nem kis jelentőségű a különböző félvezetőkből álló kvantumpontok szintetizálásának lehetősége. A kolloid kvantumpontokat összetétel, méret, forma jellemzi.

1. Kvantumpontok összetétele (félvezető anyag)

Először is, a kvantumpontok mint lumineszcens anyagok gyakorlati érdeklődésre tartanak számot. A félvezető anyagokkal szemben támasztott főbb követelmények, amelyek alapján kvantumpontokat szintetizálnak, a következők. Először is ez a sávspektrum direkt rés jellege - hatékony lumineszcenciát biztosít, másodsorban a töltéshordozók alacsony effektív tömege - a kvantumméret-effektusok meglehetősen széles mérettartományban való megnyilvánulása (természetesen a nanokristályok szabványai szerint). A félvezető anyagok következő osztályai különböztethetők meg. Széles résű félvezetők (oxidok ZnO, TiO2) - ultraibolya tartomány. Középrés félvezetők (A2B6, például kadmium-kalkogenidek, A3B5) - látható tartomány.

A kvantumpontok effektív sávközének változási tartományai at

méretváltozás 3-ról 10 nm-re.

Az ábra a 3-10 nm-es méretű nanokristályok formájában leggyakrabban előforduló félvezető anyagok effektív sávszélességének változtatásának lehetőségét mutatja be. Gyakorlati szempontból fontos optikai tartományok - látható 400-750 nm, közel IR 800-900 nm - vérátlátszó ablak, 1300-1550 nm - távközlési tartomány

1. A kvantumpontok alakja

A kvantumpontok tulajdonságait az összetételen és méreten kívül az alakjuk is komolyan befolyásolja.

- Gömbölyű(közvetlenül kvantumpontok) - a legtöbb kvantumpont. Jelenleg van a legtöbb praktikus alkalmazás. A legkönnyebben elkészíthető.

- Ellipszoid(nanorodák) - nanokristályok, egy irányban megnyúltak.

Elliptikus együttható 2-10. Ezek a határok feltételesek. Gyakorlati szempontból a kvantumpontok ezen osztályát polarizált sugárzás forrásaként használják. Nagy ellipticitási együtthatónál >50 adott típus a nanokristályokat gyakran filamentumoknak (nanohuzaloknak) nevezik.

- Komplex geometriájú nanokristályok(pl. tetrapodák). Elég sokféle forma szintetizálható - köbös, csillagok stb., valamint elágazó szerkezetek. Gyakorlati szempontból a tetrapodák molekuláris kapcsolóként használhatók. Jelenleg nagy tudományos érdeklődés övezi őket.

1. Többkomponensű kvantumpontok

A kolloidkémiai módszerek lehetővé teszik többkomponensű kvantumpontok szintetizálását félvezetőkből különböző jellemzők, elsősorban különböző sávközökkel. Ez a besorolás nagymértékben hasonlít a félvezetőknél hagyományosan használthoz.

Adalékolt kvantumpontok

A bejuttatott szennyeződés mennyisége általában kicsi (1-10 atom kvantumpontonként, átlagos atomszámmal egy kvantumpontban 300-1000). A kvantumpont elektronszerkezete ebben az esetben nem változik, a szennyező atom és a kvantumpont gerjesztett állapota közötti kölcsönhatás dipólus jellegű, és gerjesztési transzferre redukálódik. A fő ötvöző szennyeződések a mangán, réz (lumineszcencia a látható tartományban).

Szilárd oldatokon alapuló kvantumpontok.

A kvantumpontok esetében lehetséges a félvezetők szilárd oldatának kialakulása, ha megfigyeljük az anyagok kölcsönös oldhatóságát ömlesztett állapotban. Mint a tömeges félvezetők esetében, a szilárd oldatok képződése az energiaspektrum módosulásához vezet - a hatásos jellemzők az egyes félvezetők értékeinek szuperpozíciója. Ez a megközelítés lehetővé teszi az effektív sávrés fix méretben történő megváltoztatását, ami újabb lehetőséget ad a kvantumpontok jellemzőinek szabályozására.

Kvantumpontok heterojunkciók alapján.

Ezt a megközelítést a mag-héj típusú kvantumpontokban valósítják meg (mag az egyik félvezetőből, héj a másikból). Általános esetben két különböző félvezetőből származó alkatrész közötti érintkezés kialakítását jelenti. A heterojunkciók klasszikus elméletével analóg módon a mag-héj kvantumpontok két típusát különböztethetjük meg.

Fotolumineszcens kvantumpontok.

Különösen érdekesek a fotolumineszcens kvantumpontok, amelyekben a foton abszorpciója elektron-lyuk párokat hoz létre, az elektronok és lyukak rekombinációja pedig fluoreszcenciát. Az ilyen kvantumpontoknak keskeny és szimmetrikus fluoreszcenciacsúcsuk van, amelyek helyzetét a méretük határozza meg. Így a QD-k mérettől és összetételtől függően fluoreszkálhatnak az UV, látható vagy IR spektrális régióban.

A kadmium-kalkogenideken alapuló kvantumpontok méretüktől függően különböző színekben fluoreszkálnak

Például a kvantumpontok ZnS, CDSés ZnSe fluoreszkál az UV tartományban, CdSeés CdTe a láthatóban, és PbS, PbSeés PbTe a közeli IR - régióban (700-3000 nm). Ezenkívül a fenti vegyületekből heterostruktúrák is létrehozhatók, amelyek optikai tulajdonságai eltérhetnek a kiindulási vegyületekétől. A legnépszerűbb a szélesebb hézagú félvezető héjának a magon való növekedése egy keskeny résű félvezetőből, például egy magon. CdSe felépíteni egy héjat ZnS :

CdSe magból álló kvantumpont szerkezetének modellje ZnS epitaxiális héjjal (a szfalerit szerkezeti típusa)

Ez a megközelítés lehetővé teszi a QD-k oxidációval szembeni ellenállásának jelentős növelését, valamint a fluoreszcencia kvantumhozamának többszörös növelését a mag felületén lévő hibák számának csökkenése miatt. A QD-k megkülönböztető tulajdonsága a folyamatos abszorpciós spektrum (fluoreszcens gerjesztés) széles hullámhossz-tartományban, amely a QD méretétől is függ. Ez lehetővé teszi különböző kvantumpontok egyidejű gerjesztését azonos hullámhosszon. Ezenkívül a QD-k nagyobb fényerővel és jobb fotostabilitásúak, mint a hagyományos fluoroforoké.

A kvantumpontok ilyen egyedi optikai tulajdonságai széles távlatokat nyitnak meg optikai érzékelőként, fluoreszcens markerként, fényérzékenyítőként történő felhasználásukra az orvostudományban, valamint fotodetektorok IR régióban, nagy hatásfokú napelemek, szubminiatűr LED-ek, fehér fényforrások gyártására. , egyelektronos tranzisztorok és nemlineáris - optikai eszközök.

Kvantumpontok megszerzése

Két fő módszer létezik a kvantumpontok előállítására: a kolloid szintézis, amelyet a prekurzorok „lombikban” összekeverésével hajtanak végre, és az epitaxia, azaz az epitaxia. orientált kristálynövekedés a hordozó felületén.

Az első módszer (kolloid szintézis) többféle változatban valósul meg: magas vagy szobahőmérsékleten, inert atmoszférában szerves oldószeres közegben vagy vizes oldatban, fémorganikus prekurzorokkal vagy anélkül, nukleációt elősegítő molekulacsoportokkal vagy anélkül. Magas hőmérsékletű kémiai szintézist is alkalmaznak, amelyet inert atmoszférában, magas forráspontú szerves oldószerekben oldott szervetlen fém prekurzorok hevítésével hajtanak végre. Ez lehetővé teszi, hogy egyenletes méretű kvantumpontokat kapjunk magas fluoreszcencia kvantumhozam mellett.

A kolloid szintézis eredményeként nanokristályok keletkeznek, amelyeket adszorbeált felületaktív molekulák réteggel borítanak:

Egy hidrofób felületű kolloid mag-héj kvantumpont sematikus ábrázolása. A narancssárga a keskeny rés félvezető magját (például CdSe), a piros a széles résű félvezető (például ZnS) héját, a fekete pedig a felületaktív molekulák szerves héját mutatja.

A hidrofób szerves héjnak köszönhetően a kolloid kvantumpontok feloldhatók bármilyen nem poláris oldószerben, illetve megfelelő módosításával vízben és alkoholokban. A kolloid szintézis másik előnye, hogy kvantumpontokat kaphatunk kilogramm alatti mennyiségben.

A második módszer (epitaxia) - a nanostruktúrák kialakulása egy másik anyag felületén, általában egyedi és drága berendezések használatához kapcsolódik, és emellett a mátrixhoz "erősített" kvantumpontok előállításához vezet. . Az epitaxiás módszert nehéz ipari szintre skálázni, ami kevésbé vonzóvá teszi a kvantumpontok tömeges előállításához.

Kvantumpontokat használó bioszenzorok. Alkalmazásuk kilátásai a klinikai diagnosztikában.

kvantumpont - egy nagyon kicsi fizikai objektum, amelynek mérete kisebb, mint a Bohr exciton sugara, ami kvantumhatások, például erős fluoreszcencia megjelenéséhez vezet.

A kvantumpontok előnye, hogy egyetlen sugárforrással gerjeszthetők. Átmérőjüktől függően különböző fénnyel világítanak, és minden színű kvantumpontot egy forrás gerjeszt.

a Bioszerves Kémiai Intézetben. akadémikusok M.M. Shemyakin és Yu.A. Az Ovchinnikov RAS kvantumpontokat állít elő kolloid nanokristályok formájában, ami lehetővé teszi fluoreszcens címkékként történő felhasználásukat. Nagyon fényesek, még hagyományos mikroszkóppal is láthatók az egyes nanokristályok. Ezenkívül fényállóak - nagy teljesítménysűrűségű sugárzásnak kitéve hosszú ideig világítanak.

A kvantumpontok előnye, hogy az anyagtól függően, amelyből készültek, lehetőség van fluoreszcenciát elérni az infravörös tartományban, ahol a biológiai szövetek a legátlátszóbbak. Ugyanakkor fluoreszcencia hatékonyságuk összehasonlíthatatlan bármely más fluoroforéval, ami lehetővé teszi a biológiai szövetek különféle képződményeinek megjelenítését.

Egy autoimmun betegség, a szisztémás szklerózis (szkleroderma) diagnosztizálásának példáján bemutattuk a kvantumpontok lehetőségét a klinikai proteomikában. A diagnózis az autoimmun antitestek regisztrálásán alapul.

Nál nél autoimmun betegség a szervezet saját fehérjéi elkezdik befolyásolni saját biológiai tárgyaikat (sejtfalak stb.), ami súlyos patológiát okoz. Ugyanakkor a biológiai folyadékokban megjelennek az autoimmun antitestek, amelyeket az autoantitestek diagnosztizálására és kimutatására használtak.

A szkleroderma ellen számos antitest létezik. A kvantumpontok diagnosztikai képességeit két antitesttel mutattuk be példaként. Az autoantitestek elleni antigéneket adott színű kvantumpontokat tartalmazó polimer mikrogömbök felületére vitték fel (minden antigénnek saját színe volt a mikrogömbnek). A tesztkeverék a mikrogömbökön kívül a szignál fluoroforhoz kötődő másodlagos antitesteket is tartalmazott. Ezután egy mintát adtunk a keverékhez, és ha az tartalmazta a kívánt autoantitestet, akkor komplex keletkezett a keverékben. mikrogömb - autoantitest - jel fluorofor.

Lényegében az autoantitest egy linker volt, amely egy bizonyos színű mikrogömböt kapcsolt össze a szignál fluoroforral. Ezeket a mikrogömböket ezután áramlási citometriával elemeztük. A mikrogömbből és a szignálfluoroforból érkező jel egyidejű megjelenése azt jelzi, hogy megtörtént a kötődés, és a mikrogömb felszínén komplex képződik, amely másodlagos antitesteket tartalmaz a szignálfluoroforral. Ebben a pillanatban a mikrogömbök kristályai és egy jelfluorofor, amely egy másodlagos antitesthez kapcsolódott, valójában ragyogtak.

A két jel egyidejű megjelenése azt jelzi, hogy a keverék kimutatható célpontot, autoantitestet tartalmaz, amely betegségmarker. Ez a klasszikus "szendvics" regisztrációs módszer, amikor két felismerő molekula van, pl. bemutatásra került a több marker egyidejű elemzésének lehetősége, ami az alapja a diagnosztika nagy megbízhatóságának és olyan gyógyszerek létrehozásának lehetőségének, amelyek lehetővé teszik a betegség legkorábbi stádiumban történő meghatározását.

Használja biotagként.

A kvantumpontokon alapuló fluoreszcens címkék létrehozása nagyon ígéretes. A kvantumpontok következő előnyei különböztethetők meg a szerves festékekkel szemben: a lumineszcencia hullámhosszának szabályozása, magas extinkciós együttható, sokféle oldószerben való oldhatóság, a lumineszcencia hatásstabilitása környezet, magas fotostabilitás. Megjegyezhetjük a kvantumpontok felületének kémiai (vagy mi több, biológiai) módosításának lehetőségét is, amely lehetővé teszi a biológiai objektumokhoz való szelektív kötődést. A jobb oldali ábra a sejtelemek festését mutatja vízoldható kvantumpontok segítségével, amelyek a látható tartományban lumineszkálnak. A bal oldali ábra egy példát mutat az optikai tomográfia roncsolásmentes módszerére. A közeli infravörös tartományban készült fénykép egérbe juttatott kvantumpontokkal, amelyek lumineszcenciája 800-900 nm tartományban van (a melegvérű vér átlátszósági ablaka).

21. ábra. A kvantumpontok használata biotagként.

Következtetés.

Jelenleg a kvantumpontokat használó orvosi alkalmazások még korlátozottak, mivel a nanorészecskék emberi egészségre gyakorolt ​​hatását nem vizsgálták kellőképpen. Alkalmazásuk a veszélyes betegségek diagnosztizálásában azonban nagyon ígéretesnek tűnik, ezek alapján különösen az immunfluoreszcens analízis módszerét fejlesztették ki. És a kezelésben onkológiai betegségek már alkalmazták például az úgynevezett fotodinamikus terápia módszerét. Nanorészecskéket fecskendeznek a daganatba, majd besugározzák, majd ezt az energiát átadják belőlük az oxigénnek, amely izgatott állapotba kerül és belülről „kiégeti” a daganatot.

A biológusok szerint könnyű olyan kvantumpontokat tervezni, amelyek bármilyen hullámhosszon, például a közeli infravörös spektrumon reagálnak. Ekkor lehetséges lesz megtalálni a test mélyén elrejtett daganatokat.

Ezenkívül bizonyos nanorészecskék jellegzetes választ adhatnak a mágneses rezonancia képalkotás során.

A kutatók további tervei még csábítóbbnak tűnnek. Az új kvantumpontok, amelyek egy sor biomolekulához kapcsolódnak, nemcsak megtalálják és jelzik a daganatot, hanem a gyógyszerek új generációit is pontosan a helyükre szállítják.

Elképzelhető, hogy a nanotechnológiának éppen ez az alkalmazása áll a legközelebb annak gyakorlati és tömeges megvalósításához, amit az elmúlt években a laboratóriumokban láttunk.

Egy másik irány az optoelektronika és az új típusú LED-ek - gazdaságos, miniatűr, fényes. Itt a kvantumpontok olyan előnyei vannak, mint a nagy fotostabilitásuk (amely garantálja az alapjukon létrehozott eszközök hosszú távú működését), valamint az a képesség, hogy bármilyen színt (egy vagy két nanométeres pontossággal a hullámhossz-skálán) és bármilyen színt biztosítsanak. hőmérsékletet (2 Kelvin-foktól) használnak. 10 000-ig vagy több). A jövőben a LED-ek alapján monitorokhoz is készíthet kijelzőket - nagyon vékony, rugalmas, nagy képkontraszttal.

Bibliográfia.

1.http://www.nanometer.ru/2007/06/06/quantum_dots_2650.html

1. Tananaev P.N., Dorofeev S.G., Vasiliev R.B., Kuznetsova T.A. Rézzel adalékolt CdSe nanokristályok beszerzése // Szervetlen anyagok. 2009. V. 45. No. 4. S. 393-398.
2. Oleinikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. Fluoreszkáló félvezető nanokristályok

biológiában és orvostudományban // Nano. - 2007. - S. 160 173.

1. Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. A Ratiometric CdSe/ZnS nanokristályos pH-érzékelő // J. Am. Chem. Soc.. - 2006. - V. 128. P. 13320 13321.
2. Kulbachinsky V. A. Semiconductor quantum dots // Soros Educational Journal. - 2001. - V. 7. - 4. sz. - C. 98 - 104.

Letöltés:
Nincs hozzáférése a fájlok letöltéséhez a szerverünkről.

1.3.1. Az államok integrált és lokális sűrűsége

1.3.2. Fotonok spontán kibocsátása

1.3.3. hősugárzás

1.3.4. Raman szórása

1.3.5. Rezonancia (Rayleigh) szórás

1.4. Következtetés

Bibliográfia

2. Optikai sugárzás lineáris és nemlineáris periodikus struktúrákban

2.1. Bevezetés

2.2.1. Kvázi-optikai közelítés

2.2.2. Lencse hullámvezetők és lézerüregek

2.2.4. Kisléptékű önfókuszálás periodikus rendszerekben

2.2.5. Kvázi-szinkron parametrikus kölcsönhatás

2.3. Egymódusú szál Bragg ráccsal

2.3.1. A sugárzás kétirányú terjedése

2.3.2. Bragg szolitonok

2.3.3. Optikai bistabilitás és kapcsolás

2.3.4. Félvezető mikroüregek

2.4. Kapcsolódó fényvezetők

2.5. 2D fotonikus kristályok

2.5.1. Nem ideális fotonikus kristályok

2.5.2. Nemlineáris 2D fotonikus kristályok

2.6. Következtetés

Bibliográfia

3. Kvantumkutak és szuperrácsok optikája

3.1. A heterostruktúrák osztályozása

3.2. Elektronikus állapotok méretkvantálása

3.3. Kiválasztási szabályok az optikai átmenetekhez

3.3.1. Sávok közötti és sávon belüli optikai átmenetek a méretkvantálási részsávok között

3.3.2. A nehéz és könnyű lyukak részsávjaiból származó optikai átmenetek polarizációs tulajdonságai

3.4. Rezonancia-visszaverődés és fényelnyelés kvantumkutas szerkezetekben

3.5. Heterostruktúrák másodlagos fénye

3.6. Kvantum mikrorezonátorok

3.7. Következtetés

Bibliográfia

4. Kvantumpontok optikája

4.1. Bevezetés

4.1.1. Kvantumpontok elektron- és fonongerjesztésének kvantálási állapotai

4.1.2. Elektron-fonon kölcsönhatás kvantumpontokban

4.1.3. Kvantumpont elektronikus gerjesztésének dinamikája

4.2. Optikai módszerek kvantumpontok tanulmányozására

4.2.1. Elektronikus gerjesztések energiaszerkezetének vizsgálata

4.2.3. Kvantumpontok elemi gerjesztésének dinamikájának vizsgálata

4.2.4. Egyetlen kvantumpont optikai spektroszkópiája

4.3. A kvantumpontok alkalmazásai

4.3.1. Kvantumpont lézerek üvegszálas kommunikációhoz

4.3.2. Kvantumpontok a biológiában és az orvostudományban

Bibliográfia

5. Fém nanorészecskék optikai rezonancia tulajdonságai

5.1. Bevezetés

5.2. Az egyes fém nanorészecskék rezonanciái

5.2.1. mérethatás

5.2.2. Alakhatások

5.3. A környezet hatása a fém nanorészecskék rezonanciájára

5.3.1. Elektrodinamikai hatások

5.3.2. érintkezési hatások

5.4. Fém nanorészecskék nemlineáris optikai tulajdonságai

5.4.1. Magasabb harmonikusok generálása

5.4.2. Optikai Raman-folyamatok

5.5. Fém nanorészecskék inhomogén rendszerei

5.5.1. Inhomogén rendszerek szerkezeti paraméterei

5.5.2. Egyedi rezonanciák relaxációs paramétereinek mérése inhomogén rendszerekben

5.6. Fém nanorészecskék optikai tulajdonságaikkal kapcsolatos alkalmazásai

5.7. Következtetés

Bibliográfia

A.V. Fedorov, A.V. Baranov

Ln[ K(τ ) ]

τ , ps

Rizs. 4.32. a a koherens vezérlőjel burkológörbéjének logaritmusa az impulzusok közötti kölcsönös késleltetés függvényében a Lorentz-homogén és Gauss-féle inhomogén kiszélesedések különböző relatív hozzájárulásaihoz (r = 2 = ! ). A folytonos vonal tisztán lorentzi homogén kiszélesedés, ~ 2 = 21:25 µeV; szaggatott vonal –r =1/1; pontozott vonal –r =1/2,5; szaggatott pontozott –r = 1/14. Abszolút értékek2 és! úgy választottuk meg, hogy egyetlen kvantumpont fotolumineszcens vonalának HWHM értéke állandó (21:25 μeV) legyen a munkának megfelelően. b – Egyetlen kvantumpont fotolumineszcens vonalának hangos kontúrja, ugyanazokra a paraméterekre számítva, mint az a) esetben.

mérőeszköz és szerelvény Voigt kontúrral. Ez további hibákhoz vezet. ábrán. A 4.32b. ábrán egyetlen kvantumpont fotolumineszcencia vonalalakjait ugyanazon arányok mellett ábrázoljuk 2 = ! , mint a 4.32 a. Látható, hogy a spektrumvonalak leginformatívabb része a szárnyuk, ahol nehéz jó jel-zaj arányt elérni. Ugyanakkor a megfelelő K() változás abban a régióban a legkifejezettebb, ahol a koherens vezérlőjel kellő pontossággal nyerhető. Így a koherens szabályozás módszerével tanulmányozható a töltéskörnyezet ingadozásainak hatása az optikai és relaxációs folyamatokban.

4.3. A kvantumpontok alkalmazásai

4.3.1. Kvantumpont lézerek üvegszálas kommunikációhoz

Az optikai szálas távközlés fejlődése szükségessé tette hatékony félvezető lézerek és optikai erősítők létrehozását, amelyek a hullámvezetők minimális veszteségei (1,25–1,65 μm) spektrális tartományában működnek. Az InGaAs/GaAs kvantumkút lézerekkel elért leghosszabb hullámhossz végégető eszközöknél 1230 nm, függőleges üreges lézereknél pedig 1260 nm. Megfelelően nagy küszöbáramok, alacsony üzemi hőmérséklet és alacsony

4. Kvantumpontok optikája

az ilyen lézerek hőmérséklet-stabilitása nem mindig felel meg a nagy sebességű távközlési eszközökkel szemben támasztott követelményeknek.

A nagy felületi sűrűség mellett kellően egységes méretű és formájú, önösszeállított A3 B5 kvantumpontvegyületek többrétegű szerkezeteinek előállítása olyan félvezető lézerek létrehozásához vezetett, amelyekben kvantumpontok aktív közegként működnek. Ennek eredményeként az 1,0–1,7 µm-es spektrális tartomány elérhetővé vált mind a hagyományos lézerek, mind a függőleges üreges lézerek számára, amelyek InGaAs kvantumpontokat és GaAs szubsztrátokat használnak. Mindkét típusú lézer képes 1,3 µm-es sugárzást generálni rendkívül alacsony küszöbáram mellett és nagy kimeneti teljesítménnyel. A közelmúltban egy szélessávú kvantumpont lézert mutattak be, amely 1,5 µm-en bocsát ki, és az áramsűrűség csak 70 A/cm2 kvantumpontrétegenként szobahőmérsékleten. A kvantumpont-struktúrákon alapuló optikai erősítők a 40 Gbit/s feletti nagysebességű jelfeldolgozás szempontjából érdekesek. Fontos, hogy a kifejlesztett GaAs technológiák lehetővé teszik az AlAs/GaAs és AlOx/GaAs párokra épülő, elosztott Bragg tükrökkel ellátott, viszonylag olcsó monolit függőleges üregű kvantumpont lézerek gyártását.

Meg kell jegyezni, hogy a kvantumpontokban az elektronikus átmenetek inhomogén kiszélesedése miatt lehetővé válik a lézerhullámhossz folyamatos hangolási tartományának kiterjesztése. A küszöbáramok némi növelésével elérheti a 200 nm-t (1,033–1,234 μm).

Az InAs kvantumpontokat és InP szubsztrátokat használó lézerek is érdekesek, mivel lehetővé teszik a hosszabb hullámhossz-tartományban (1,8–2,3 μm) történő lézerezést, ami fontos a molekulaspektroszkópiában és a gáznemű atmoszféra lidarok segítségével történő távfelügyeletében. Ugyanakkor 1,9 és 2 μm hullámhosszúságú sugárzás előállítása ilyen heterostruktúrából származó aktív közeggel működő lézerből eddig csak alacsony (77 K) hőmérsékleten sikerült. Érdekes módon az 1,6 és 1,78 μm hullámhosszúságú lézereket InAs kvantumhuzalokon – egydimenziós kvantumstruktúrákon – (001)InP hordozón alapuló lézereknél is kimutatták. Végül a 2 μm-es régióban folyamatos lézerezést végeztünk szobahőmérsékleten, aktív lézerközegként (001) InP szubsztrátumon növesztett InAsSb-alapú kvantumpontok használatával.

Ennek az iránynak az intenzív fejlődése oda vezetett, hogy jelenleg a kereskedelemben elérhetővé váltak bizonyos típusú, kvantumpontokon alapuló aktív közeggel rendelkező félvezető lézerek, .

260 A.V. Fedorov, A.V. Baranov

4.3.2. Kvantumpontok a biológiában és az orvostudományban

A félvezető kvantumpontok egyik legaktívabban fejlődő alkalmazási területe a kolloid kvantumpontok (félvezető nanokristályok szerves és vizes oldatokban) lumineszcens címkeként történő alkalmazása különböző típusú biológiai objektumok szerkezetének megjelenítésére, valamint biokémiai reakciók ultraérzékeny detektálására. amelyek rendkívül fontosak a molekuláris és sejtbiológiában., orvosi diagnosztikában és terápiában. A lumineszcens jelölés egy linker molekulához kapcsolódó foszfor, amely szelektíven kötődhet egy kimutatható biostruktúrához (célponthoz). A címkéknek vízben oldhatónak kell lenniük, nagy abszorpciós együtthatóval kell rendelkezniük, és nagy lumineszcenciakvantumhozamot kell mutatniuk egy szűk spektrális sávban. Ez utóbbi különösen fontos a többszínű képek regisztrálásakor, amikor a cellában lévő különböző célpontokat különböző címkékkel jelölik. A szerves festékeket általában foszforként használják a címkéken. Hátrányuk a fényfehérítéssel szembeni alacsony ellenállás, amely nem teszi lehetővé a hosszú távú méréseket, a különböző színezékek gerjesztéséhez több fényforrás szükségessége, valamint a lumineszcencia sávok nagy szélessége és aszimmetriája, ami megnehezíti a többszínű képek elemzését. .

A nanotechnológia területén elért közelmúltbeli eredmények lehetővé teszik, hogy a lumineszcens címkék új osztályának létrehozásáról beszéljünk félvezető kvantumpontok - kolloid nanokristályok - foszforként történő felhasználásával.

Az A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) és A3 B5 (InP és GaAs) vegyületeken alapuló nanokristályok szintézise régóta ismert. Még 1993-ban javasolták a CdSe kvantumpontok magas hőmérsékletű fémorganikus szintézisét, és jó kristályszerkezetű, szűk méreteloszlású, de 10%-ot meg nem haladó kvantumhozamú nanokristályokat kaptak. Szobahőmérsékleten a kvantumpontok kvantumhozamának meredek, akár 85%-os növekedését értük el, amikor a nanokristályokat egy másik anyag vékony (1-2 rétegű) héjával kezdték bevonni, nagyobb sávréssel (például CdSe esetében, ez a ZnS, CdS, CdO). Az ilyen struktúrákat core/shell kvantumpontoknak (core/shell QD) nevezzük. A kvantumpontok átmérője (1,5 nm-től) szabályozható a körülbelül 300 o C-on végbemenő reakcióidő perctől több óráig tartó változtatásával, vagy egyszerűen a kívánt termékmennyiség kiválasztásával. más idő a reakció megkezdése után. Ennek eredményeként kiderült, hogy lehetséges azonos összetételű, de eltérő méretű kvantumpontok halmazát előállítani. Például a CdSe/ZnS QD-k lumineszcenciasávjának helyzete a 433-650 nm (2,862-1,906 eV) tartományban változhat, körülbelül 30 meV sávszélesség mellett. Más anyagok felhasználása jelentősen bővülhet spektrális régió nanokristályok lumineszcenciasávjának átrendeződése (4.33. ábra). Lényegében,

				Kvantumpontok optikája
Intenzitás
		Hullámhossz,

Rizs. 4.33. Különböző összetételű és méretű félvezető nanokristályok lumineszcencia spektruma. A folytonos vonalak az 1,8, 3,0 és 6,0 nm átmérőjű CdSe nanokristályoknak, a szaggatott vonalak a 3,0 és 4,6 nm átmérőjű InP nanokristályoknak, a szaggatott vonalak pedig a 2,8, 3,6, ,64,6 és 0,6 nm-es InAs nanokristályoknak felelnek meg.

hogy a nanokristályok keskenyebb és szimmetrikusabb lumineszcenciasávokat mutatnak, mint a hagyományos szerves festékek. Ez rendkívül fontos előny többszínű képek elemzésekor. ábrán. 4.34, példaként a CdSe/ZnS nanokristályok és a rodamin 6G molekulák lumineszcencia spektrumát hasonlítjuk össze.

Intenzitás, rel. egységek

Rodamin 6 F

kvantumpontok

Hullámhossz, nm

Rizs. 4.34. A kvantumpontok és a rodamin 6G molekuláinak lumineszcenciasávjainak összehasonlítása.

További előny, hogy az azonos összetételű nanokristályok általában széles abszorpciós sávval rendelkeznek, magas moláris extinkciós együtthatóval (akár 10–6 cm–1 M–1), amely megfelel a nagy energiájú állapotokba való átmeneteknek. Helyzete gyengén függ a kvantumpont méretétől. Ezért a színezékekkel ellentétben ez lehetséges

262 A.V. Fedorov, A.V. Baranov

különböző méretű nanokristályok lumineszcenciájának hatékony gerjesztése egyetlen lézerfényforrással. A fő előny azonban az, hogy a nanokristályok kiváló fotorezisztenciával rendelkeznek: nem fakulnak ki több órán vagy akár napon keresztül, míg a hagyományos fényporok jellemző fényesedési ideje néhány percre korlátozódik. 4.35 AlexaFluor® 488Fig. 4.35. CdSe/ZnS nanokristályokon és hagyományos molekuláris foszforokon alapuló címkék lumineszcenciájának fotoindukált degradációja higanylámpa sugárzás hatására.

Az ilyen, kémiai reakció eredményeként kapott kvantumpontok felületét a szintézisben használt hidrofób molekulák vonják be, így csak szerves oldószerekben oldódnak. Mivel biológiai objektumok (fehérjék, DNS, peptidek) csak vizes oldatokban léteznek, a nanokristályok felületének módosítására olyan módszereket fejlesztettek ki, amelyek pozitív és negatív töltésű felülettel is vízoldhatóvá teszik azokat. Számos olyan linker molekulát javasoltak, amelyek lehetővé teszik a nanokristályok szelektív kötését az elemzett biomolekulákhoz. Példaként a 4.36. ábra egy ZnS héjjal bevont CdSe nanokristály példáját mutatja be, amelyet egy merkaptoecetsav molekula kovalensen köt egy fehérjéhez.

A közelmúltban kereskedelmi forgalomba kerültek a félvezető kvantumpontokon alapuló lumineszcens címkék különböző típusú célpontokhoz.

A kvantumpontok in vivo használatához intézkedéseket kell tenni toxicitásuk csökkentésére. Ebből a célból javasolták, hogy kvantumpontokat helyezzenek el 50-300 nm átmérőjű inert polimer gömbökben, és foszforként használják fel olyan esetekben, amikor a nanogömbök viszonylag nagy mérete nem akadályozza használatukat. Használat-

2018. június 14

A kvantumpont egy vezető vagy félvezető töredéke, amelynek töltéshordozói (elektronok vagy lyukak) mindhárom dimenzióban térben korlátozottak. A kvantumpont méretének olyan kicsinek kell lennie, hogy a kvantumhatások jelentősek legyenek. Ez akkor érhető el, ha az elektron kinetikus energiája észrevehetően nagyobb az összes többi energiaskálánál: először is nagyobb, mint az energiaegységekben kifejezett hőmérséklet. A kvantumpontokat először az 1980-as évek elején Alexei Ekimov üvegmátrixban és Louis E. Brus kolloid oldatokban szintetizálta.

A "kvantumpont" kifejezést Mark Reed alkotta meg.

A kvantumpont energiaspektruma diszkrét, és a töltéshordozó stacioner energiaszintjei közötti távolság magának a kvantumpontnak a méretétől függ: -ħ/(2md^2), ahol:
ħ a redukált Planck-állandó;
d a jellemző pontméret;
m az elektron effektív tömege egy pontban

Egyszerűen fogalmazva, a kvantumpont egy félvezető, amelynek elektromos jellemzői a méretétől és alakjától függenek.
Például, amikor egy elektron alacsonyabb energiaszintre mozog, foton bocsát ki; mivel lehetőség van a kvantumpont méretének szabályozására, lehetőség van a kibocsátott foton energiájának megváltoztatására is, ami a kvantumpont által kibocsátott fény színének megváltoztatását jelenti.

A kvantumpontok típusai
Két típusa van:
epitaxiális kvantumpontok;
kolloid kvantumpontok.

Valójában az előállítási módszerek szerint nevezik el őket. Róluk nem szólok részletesen a kémiai kifejezések nagy száma miatt. Csak annyit teszek hozzá, hogy kolloid szintézis segítségével adszorbeált felületaktív molekulákból álló réteggel bevont nanokristályokat lehet előállítani. Így szerves oldószerekben, illetve módosítás után poláris oldószerekben is oldódnak.

Kvantumpontok felépítése
Általában a kvantumpont egy félvezető kristály, amelyben kvantumhatások valósulnak meg. Egy ilyen kristályban lévő elektron úgy érzi, mintha egy háromdimenziós potenciálkútban lenne, és sok álló energiaszinttel rendelkezik. Ennek megfelelően, amikor egyik szintről a másikra haladunk, a kvantumpont fotont bocsáthat ki. Mindezek mellett az átmenetek könnyen szabályozhatók a kristály méretének változtatásával. Lehetőség van arra is, hogy egy elektront magas energiaszintre dobjunk, és sugárzást kapjunk az alacsonyabb szintek közötti átmenetből, és ennek eredményeként lumineszcenciát kapunk. Valójában ennek a jelenségnek a megfigyelése volt az első kvantumpontok megfigyelése.

Most a kijelzőkről
A teljes értékű kijelzők története 2011 februárjában kezdődött, amikor a Samsung Electronics bemutatta a QLED kvantumpontokra épülő színes kijelző fejlesztését. Ez egy 4 hüvelykes kijelző volt, amelyet aktív mátrix hajtott, i.e. minden egyes színes kvantumpont pixel egy vékonyréteg tranzisztorral be- és kikapcsolható.

A prototípus elkészítéséhez egy réteg kvantumpont oldatot visznek fel a szilícium táblára, és oldószert permeteznek rá. Ezt követően egy fésűs felületű gumibélyegzőt préselnek a kvantumpontok rétegébe, szétválasztják és üvegre vagy rugalmas műanyagra bélyegzik. Így rakódnak le a kvantumpontokból álló csíkok a hordozóra. A színes kijelzőkön minden képpont tartalmaz egy piros, zöld vagy kék alpixelt. Ennek megfelelően ezeket a színeket különböző intenzitással használják, hogy minél több árnyalatot kapjanak.

A fejlesztés következő lépése a bangalore-i Indiai Tudományos Intézet tudósainak cikkének publikálása volt. Ahol kvantumpontokat írtak le, amelyek nem csak narancssárgán, hanem a sötétzöldtől a vörösig terjedő tartományban is világítanak.

Miért rosszabb az LCD?
A fő különbség a QLED kijelző és az LCD között, hogy utóbbi csak a színtartomány 20-30%-át tudja lefedni. Ezenkívül a QLED TV-kben nincs szükség fényszűrőkkel ellátott réteg használatára, mivel a kristályok, amikor feszültséget kapcsolnak rájuk, mindig jól meghatározott hullámhosszú és ennek eredményeként azonos színértékű fényt bocsátanak ki.

A folyadékkristályos kijelzők 5 rétegből állnak: a forrás a LED-ek által kibocsátott fehér fény, amely több polarizációs szűrőn halad át. Az elöl és hátul elhelyezett szűrők folyadékkristályokkal együtt szabályozzák az áthaladó fényáramot, csökkentve vagy növelve annak fényerejét. Ez a pixel tranzisztoroknak köszönhető, amelyek befolyásolják a szűrőkön (piros, zöld, kék) áthaladó fény mennyiségét.

Ennek a három alpixelnek a kialakult színe, amelyre a szűrőket alkalmazzák, a pixel bizonyos színértékét adja. A színek keverése elég "sima", de egyszerűen lehetetlen így tiszta vöröset, zöldet vagy kéket kapni. A buktatók azok a szűrők, amelyek nem egy bizonyos hosszúságú hullámot engednek át, hanem több különböző hullámhosszon. Például a narancssárga fény egy piros szűrőn is áthalad.

Érdemes megjegyezni, hogy a kvantumpontok hatóköre nem korlátozódik a LED-monitorokra, többek között terepi hatású tranzisztorokban, fotocellákban, lézerdiódákban is használhatók, illetve az orvostudományban és a kvantumszámítástechnikában is felmerül a lehetőség. tanult.

A LED fényt bocsát ki, ha feszültséget kapcsolunk rá. Ennek köszönhetően az elektronok (e) az N típusú anyagból a P típusú anyagba kerülnek. Egy N típusú anyag több elektronszámú atomokat tartalmaz. A P-típusú anyagokban vannak olyan atomok, amelyekből hiányoznak elektronok. Amikor a felesleges elektronok eltalálják az utóbbit, energiát bocsátanak ki fény formájában. Egy közönséges félvezető kristályban ez általában sok különböző hullámhosszon keltett fehér fény. Ennek az az oka, hogy az elektronok különböző energiaszintűek lehetnek. Ennek eredményeként a keletkező fotonok (P) eltérő energiájúak, ami különböző hullámhosszú sugárzásban fejeződik ki.

A fény stabilizálása kvantumpontokkal
A QLED tévék kvantumpontokat használnak fényforrásként – ezek csak néhány nanométer méretű kristályok. Ilyenkor megszűnik a fényszűrőkkel ellátott réteg igénye, hiszen amikor rájuk feszültséget kapcsolunk, a kristályok mindig jól meghatározott hullámhosszú fényt bocsátanak ki, és ebből ered a színérték is. Ezt a hatást egy kvantumpont csekély mérete éri el, amelyben az elektron, akárcsak az atomban, csak korlátozott térben képes mozogni. Az atomhoz hasonlóan a kvantumpont-elektron is csak szigorúan meghatározott energiaszinteket foglalhat el. Tekintettel arra, hogy ezek az energiaszintek az anyagtól is függenek, lehetővé válik a kvantumpontok optikai tulajdonságainak célirányos hangolása. Például a vörös szín eléréséhez kadmium, cink és szelén ötvözetéből (CdZnSe) származó kristályokat használnak, amelyek mérete körülbelül 10-12 nm. A sárga, zöld és kék színekhez kadmium és szelén ötvözete alkalmas, utóbbiak nanokristályok felhasználásával is előállíthatók 2-3 nm-es cink- és kénvegyületből.

A kék kristályok tömeggyártása nagyon nehéz és költséges, ezért a Sony által 2013-ban bemutatott tévé nem egy kvantumpontokra épülő „származékos” QLED tévé. Az általuk előállított kijelzők hátulján egy kék LED-réteg található, amelyek fénye vörös és zöld nanokristályok rétegén halad át. Ennek eredményeként valójában lecserélik a jelenleg elterjedt szűrőket. Ennek köszönhetően a színskála a hagyományos LCD TV-khez képest 50%-kal nő, de nem éri el a „tiszta” QLED képernyő szintjét. Utóbbiak a szélesebb színskála mellett van még egy előnyük: energiát takarítanak meg, hiszen nincs szükség fényszűrős rétegre. Ennek eredményeként a QLED tévék képernyőjének eleje is több fényt kap, mint a hagyományos tévék, amelyek csak a fénykibocsátás körülbelül 5%-át engedik be.

A tudósok felépítettek egy elméletet a kvantumpontok széles körben elterjedt osztályának kialakulásáról, amelyeket kadmiumot és szelént tartalmazó vegyületekből nyernek. 30 éven keresztül az ilyen irányú fejlesztés nagymértékben a próbálkozásokon és hibákon alapult. A cikk a Nature Communications folyóiratban jelent meg.

A kvantumpontok figyelemreméltó optikai és elektronikus tulajdonságokkal rendelkező nanoméretű kristályos félvezetők, amelyek már számos kutatási és technológiai területen alkalmazásra találtak. Köztes tulajdonságaik vannak az ömlesztett félvezetők és az egyes molekulák között. Ezeknek a nanorészecskéknek a szintézise során azonban tisztázatlan pontok maradnak, mivel a tudósok nem tudták teljesen megérteni, hogyan hatnak egymásra a reagensek, amelyek közül néhány nagyon mérgező.

Todd Krauss és Leigh Frenett, a Rochesteri Egyetem munkatársa ezen változtatni fognak. Különösen azt találták, hogy a fúziós reakció során mérgező vegyületek jelennek meg, amelyeket 30 évvel ezelőtt az első kvantumpontok előállításához használtak. „Lényegében „visszamentünk a jövőbe” a felfedezésünkkel” – magyarázza Krauss. - Kiderült, hogy a ma használt biztonságosabb reagensekből pont olyan anyagok válnak, amelyeket évtizedek óta próbálnak elkerülni. Ők viszont kvantumpontok képződésével reagálnak.”

Először is, csökkenti a kadmium vagy szelén alapú kvantumpontok előállítása során felmerülő találgatások mennyiségét, ami következetlenségekhez és reprodukálhatatlansághoz vezetett, ami hátráltatta az ipari alkalmazások keresését.
Másodszor, figyelmeztetni fogja a kutatókat és a nagy mennyiségben kvantumpontok szintézisével foglalkozó vállalatokat, hogy még mindig olyan veszélyes anyagokkal van dolguk, mint a hidrogén-szelenid és az alkil-kadmium komplexek, bár implicit módon.
Harmadszor, tisztázni fogja a kvantumpontok magas hőmérsékleten történő szintézisére szolgáló számos eljárásban használt foszfinok kémiai tulajdonságait.

Források: