Vyjadrené v energetických jednotkách. Kvantové bodky objavil na začiatku 80. rokov Alexey Ekimov v sklenenej matrici a Louis E. Brous v koloidných roztokoch. Termín „kvantová bodka“ vymyslel Mark Reed.

Možné aplikácie kvantové body: tranzistory s efektom poľa, fotobunky, LED diódy, laserové diódy. Skúmajú sa aj možnosti využitia kvantových bodov ako biomarkerov pre lekárske zobrazovanie a qubitov pre kvantové výpočty.

Zjednodušene povedané, kvantová bodka je polovodič, ktorého elektrické vlastnosti závisia od jeho veľkosti a tvaru. Čím menšia je veľkosť kryštálu, tým väčšia je vzdialenosť medzi energetickými hladinami. Napríklad, keď sa elektrón presunie na nižšiu energetickú hladinu, vyžiari sa fotón; Keďže môžeme upraviť veľkosť kvantovej bodky, môžeme zmeniť energiu emitovaného fotónu, čo znamená, že môžeme zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou. Hlavnou výhodou kvantovej bodky je schopnosť presne kontrolovať jej veľkosť, čo umožňuje veľmi presnú kontrolu nad vodivosťou. Kvantové bodky rôzne veľkosti možno zostaviť do gradientových viacvrstvových nanofilmov.

Typy kvantových bodov

Existujú dva typy kvantových bodiek (podľa spôsobu tvorby):

• epitaxné kvantové bodky;
• koloidné kvantové bodky.

Dizajn kvantových bodiek

Akýkoľvek dostatočne malý kúsok kovu alebo polovodiča môže slúžiť ako kvantová bodka. Historicky prvé kvantové bodky boli pravdepodobne mikrokryštály selenidu kadmia. Elektrón v takomto mikrokryštále sa cíti ako elektrón v trojrozmernej potenciálovej jamke, má veľa stacionárnych energetických hladín s charakteristickou vzdialenosťou medzi nimi (presné vyjadrenie energetických hladín závisí od tvaru bodu). Podobne ako pri prechode medzi energetickými hladinami atómu môže byť pri prechode medzi energetickými hladinami kvantovej bodky emitovaný fotón. Je tiež možné vrhnúť elektrón do vysokej energetickej hladiny a prijímať žiarenie z prechodu medzi nižšie položenými hladinami (luminiscencia). Navyše, na rozdiel od skutočných atómov, prechodové frekvencie možno ľahko ovládať zmenou rozmerov kryštálu. V skutočnosti ako prvé pozorovanie kvantových bodiek slúžilo pozorovanie luminiscencie kryštálov selenidu kadmia s frekvenciou luminiscencie určenou veľkosťou kryštálu.

V súčasnosti sa veľa experimentov venuje kvantovým bodkám vytvoreným v dvojrozmernom elektrónovom plyne. V dvojrozmernom elektrónovom plyne je pohyb elektrónov kolmý na rovinu už obmedzený a oblasť v rovine môže byť izolovaná pomocou hradlových kovových elektród umiestnených na vrchu heteroštruktúry. Kvantové bodky v dvojrozmernom elektrónovom plyne môžu byť spojené tunelovými kontaktmi s inými oblasťami dvojrozmerného plynu a možno študovať vedenie cez kvantovú bodku. V takomto systéme sa pozoruje fenomén Coulombovej blokády.

Aplikácie kvantových bodov

Koloidné kvantové bodky sú dobrou náhradou za tradičné fosfory, organické aj anorganické. Vynikajú svojou fotostabilitou, jasom fluorescencie a tiež majú niektoré jedinečné vlastnosti.

Viac nedávno o rozšírené používanie O kvantových bodkách sa nehovorilo, no v posledných rokoch množstvo spoločností uviedlo na trh produkty využívajúce tieto nanočastice. Medzi ohlásenými produktmi sú experimentálne vzorky aj sériovo vyrábané produkty. Spoločnosť napríklad vytvorila prvé prototypy displejov na báze kvantových bodov. Nexxus Lighting zároveň vydal LED lampu využívajúcu kvantové bodky a ruská spoločnosť QDLight pripravuje vydanie celého radu produktov založených na kvantových bodoch v oblasti optoelektroniky, bezpečnosti a poľnohospodárstvo. Optické vlastnosti nanokryštálov - kvantové bodky - sa využívajú pri najneočakávanejších výskumoch, ktoré si vyžadujú napríklad biologickú výskum pohodlnú, laditeľnú luminiscenciu.

Kvantové bodky sú jedným z popredných kandidátov na reprezentáciu qubitov v kvantových výpočtoch.

Existuje program na vytváranie displejov pomocou kvantových bodov – QD-LED.

Metódy na získanie kvantových bodov

Schéma syntézy kvantových bodiek CdSe-ZnSe

Existujú dva hlavné spôsoby vytvárania kvantových bodov:

• syntéza v koloide, pri ktorej sa látky miešajú v roztoku
• epitaxia – spôsob pestovania kryštálov na povrchu substrátu

Pomocou koloidnej syntézy je možné získať nanokryštály potiahnuté vrstvou adsorbovaných molekúl povrchovo aktívneho činidla. Sú teda rozpustné v organických rozpúšťadlách a po modifikácii aj v polárnych rozpúšťadlách. Kvantové bodky naviazané na substrát možno využiť napríklad v pokročilých nanoelektronických aplikáciách. Zvlášť zaujímavé sú fluorescenčné kvantové bodky získané koloidnou syntézou, napríklad QD na báze chalkogenidov kadmia fluoreskujú rôznymi farbami v závislosti od ich veľkosti. Zaujímavosťou je, že absorbujú energiu v širokom rozsahu spektra, no vyžarujú úzke spektrum svetelných vĺn.

pozri tiež

• Kvantový bodový kontakt

Poznámky

Odkazy

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Quantum dot“ v iných slovníkoch:

kvantová bodka- Nanokryštál so širokým absorpčným spektrom a úzkym emisným vrcholom Biotechnologické témy EN kvantová bodka ... Technická príručka prekladateľa

Pojem kvantová bodka Pojem v angličtine quantum dot Synonymá nano bodka Skratky QD, QD, ND Súvisiace pojmy biokompatibilné povlaky, kvantový drôt, kvantová jamka, nanokryštál, nanofarmakológia Definícia polovodičová častica ...

Kvantová kryptografia je metóda ochrany komunikácie založená na princípoch kvantovej fyziky. Na rozdiel od tradičnej kryptografie, ktorá využíva matematické metódy na zabezpečenie utajenia informácií, kvantová kryptografia... ... Wikipedia

Kvantová studňa je potenciálna studňa, ktorá obmedzuje mobilitu častíc z troch do dvoch rozmerov, čím ich núti pohybovať sa v plochej vrstve. Účinky kvantovej veľkosti sa prejavia, keď sa dĺžka studne stane porovnateľnou s dĺžkou... ... Wikipedia

Pojem kvantová jama Pojem v angličtine quantum well Synonymá Skratky Súvisiace pojmy polovodičová heteroštruktúra, kvantový drôt, kvantová bodka, epitaxia molekulového lúča, metóda Definícia tenká plochá vrstva... ... encyklopedický slovník nanotechnológie

Pojem kvantový drôt Pojem v angličtine quantum wire Synonymá Skratky Súvisiace pojmy polovodičová heteroštruktúra, kvantová bodka, kvantová jama, litografia Definícia Polovodičový materiál vláknitého tvaru, v ... ... Encyklopedický slovník nanotechnológie

- (vlnová mechanika), teória, ktorá stanovuje spôsob popisu a zákonitosti pohybu mikročastíc (prvkov, atómov, molekúl, atómových jadier) a ich systémov (napríklad kryštálov), ako aj vzťah medzi veličinami charakterizujúcimi častice a systémov, s fyzickými veľkosti...... Fyzická encyklopédia

- (QCD), kvantová teória poľa silnej interakcie kvarkov a gluónov, postavená na obraze kvanta. elektrodynamika (QED) založená na „farebnej“ meracej symetrii. Na rozdiel od QED majú fermióny v QCD komplementárne vlastnosti. kvantový stupeň voľnosti. číslo,…… Fyzická encyklopédia

Kvantová teória poľa je kvantová teória systémov s nekonečným počtom stupňov voľnosti (fyzikálne polia (pozri Fyzikálne polia)). Qt.p., ktorý vznikol ako zovšeobecnenie kvantovej mechaniky (Pozri Kvantová mechanika) v súvislosti s problémom popisu... ... Veľká sovietska encyklopédia

- (QED), kvantová teória interagujúcich prvkov. mag. polia a poplatok. h c. QED sa často nazýva táto časť kvanta. teória poľa, ktorá uvažuje o vplyve elektriny. mag. a elektrónové pozitrónové polia. Email mag. pole v takejto teórii vyzerá ako... ... Fyzická encyklopédia

Dobrý deň, Habrazhiteliki! Myslím, že veľa ľudí si všimlo, že sa čoraz častejšie začali objavovať reklamy na displeje založené na technológii kvantových bodov, takzvané QD – LED (QLED) displeje, napriek tomu, že momentálne ide len o marketing. Podobne ako v prípade LED TV a Retina ide o technológiu na vytváranie LCD displejov, ktoré ako podsvietenie využívajú LED diódy založené na kvantových bodoch.

Váš skromný sluha sa rozhodol prísť na to, čo sú to kvantové bodky a na čo sa používajú.

Namiesto predstavenia

Kvantová bodka- fragment vodiča alebo polovodiča, ktorého nosiče náboja (elektróny alebo otvory) sú priestorovo obmedzené vo všetkých troch rozmeroch. Veľkosť kvantovej bodky musí byť dostatočne malá, aby boli kvantové efekty významné. To sa dosiahne, ak je kinetická energia elektrónu zreteľne väčšia ako všetky ostatné energetické stupnice: predovšetkým väčšia ako teplota, vyjadrená v energetických jednotkách. Kvantové bodky prvýkrát syntetizovali začiatkom 80. rokov Alexej Ekimov v sklenenej matrici a Louis E. Brous v koloidných roztokoch. Termín „kvantová bodka“ vymyslel Mark Reed.

Energetické spektrum kvantovej bodky je diskrétne a vzdialenosť medzi stacionárnymi energetickými hladinami nosiča náboja závisí od veľkosti samotnej kvantovej bodky ako - ħ/(2md^2), kde:

1. ħ - znížená Planckova konštanta;
2. d - charakteristická veľkosť bodu;
3. m je efektívna hmotnosť elektrónu v bode

Ak sa porozprávame jednoduchým jazykom potom kvantová bodka je polovodič, ktorého elektrické charakteristiky závisia od jeho veľkosti a tvaru.

Napríklad, keď sa elektrón presunie na nižšiu energetickú hladinu, vyžiari sa fotón; Keďže môžete upraviť veľkosť kvantovej bodky, môžete zmeniť aj energiu emitovaného fotónu, a teda zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou.

Typy kvantových bodov

Existujú dva typy:

• epitaxné kvantové bodky;
• koloidné kvantové bodky.

V skutočnosti sú pomenované podľa metód používaných na ich získanie. Nebudem o nich podrobne hovoriť z dôvodu veľká kvantita chemické výrazy (pomôže vám Google). Len dodám, že pomocou koloidnej syntézy je možné získať nanokryštály potiahnuté vrstvou adsorbovaných molekúl tenzidu. Sú teda rozpustné v organických rozpúšťadlách a po modifikácii aj v polárnych rozpúšťadlách.

Dizajn kvantových bodiek

Kvantová bodka je zvyčajne polovodičový kryštál, v ktorom sa realizujú kvantové efekty. Elektrón v takomto kryštáli sa cíti ako v trojrozmernej potenciálovej studni a má veľa stacionárnych energetických úrovní. V súlade s tým môže kvantová bodka pri pohybe z jednej úrovne na druhú emitovať fotón. Pri tom všetkom sú prechody ľahko ovládateľné zmenou rozmerov kryštálu. Je tiež možné preniesť elektrón na vysokú energetickú hladinu a prijať žiarenie z prechodu medzi nižšie položenými hladinami a v dôsledku toho získame luminiscenciu. V skutočnosti je to pozorovanie tento jav a slúžil ako prvé pozorovanie kvantových bodiek.

Teraz o displejoch

História plnohodnotných displejov sa začala písať vo februári 2011, keď spoločnosť Samsung Electronics predstavila vývoj plnofarebného displeja založeného na kvantových bodoch QLED. Išlo o 4-palcový displej ovládaný aktívnou maticou, t.j. Každý farebný pixel kvantovej bodky možno zapnúť a vypnúť pomocou tenkovrstvového tranzistora.

Na vytvorenie prototypu sa na kremíkovú dosku plošných spojov nanesie vrstva roztoku s kvantovými bodkami a nastrieka sa rozpúšťadlo. Potom sa do vrstvy kvantových bodiek vtlačí gumená pečiatka s hrebeňovým povrchom, ktorá sa oddelí a vytlačí na sklo alebo pružný plast. Takto sa na substrát nanášajú pruhy kvantových bodiek. Vo farebných displejoch obsahuje každý pixel červený, zelený alebo modrý subpixel. V súlade s tým sa tieto farby používajú s rôznou intenzitou, aby sa získalo čo najviac odtieňov.

Ďalším krokom vo vývoji bolo zverejnenie článku vedcov z Indického vedeckého inštitútu v Bangalore. Kde boli popísané kvantové bodky, ktoré nielen luminiscujú? oranžová, ale aj v rozmedzí od tmavozelenej po červenú.

Prečo je LCD horší?

Hlavný rozdiel medzi QLED displejom a LCD je v tom, že LCD dokáže pokryť len 20-30% farebného rozsahu. V QLED televízoroch tiež nie je potrebné používať vrstvu so svetelnými filtrami, pretože kryštály, keď je na ne privedené napätie, vždy vyžarujú svetlo s jasne definovanou vlnovou dĺžkou a v dôsledku toho s rovnakou hodnotou farby.

Objavili sa aj správy o predaji počítačového displeja na báze kvantových bodov v Číne. Žiaľ, nemal som možnosť sa o tom presvedčiť na vlastné oči, na rozdiel od televízie.

P.S. Za zmienku stojí, že rozsah použitia kvantových bodov nie je okrem iného obmedzený len na LED monitory, možno ich použiť v tranzistoroch s efektom poľa, fotobunkách, laserových diódach a možnosti ich využitia v medicíne a kvantových výpočtoch; sa tiež študuje.

P.P.S. Ak sa budeme baviť o mojom osobnom názore, tak verím, že najbližších desať rokov nebudú populárne nie preto, že by boli málo známe, ale preto, že ceny za tieto displeje sú nebetyčné, no aj tak chcem dúfať, že kvantum body nájdu svoje uplatnenie v medicíne a poslúžia nielen na zvýšenie zisku, ale aj na dobré účely.

Štítky: Pridajte štítky

0

KURZOVÁ PRÁCA

v disciplíne "Biomedicínske prevodníky a senzorové systémy"

Kvantové bodky a na nich založené biosenzory

Úvod. 3

Kvantové bodky. Všeobecné informácie. 5

Klasifikácia kvantových bodov. 6

Fotoluminiscenčné kvantové bodky. 9

Získanie kvantových bodov. jedenásť

Biosenzory využívajúce kvantové bodky. Vyhliadky na ich využitie v klinická diagnostika. 13

Záver. 15

Bibliografia. 16

Úvod.

Kvantové bodky (QD) sú izolované nanoobjekty, ktorých vlastnosti sa výrazne líšia od vlastností sypkého materiálu rovnakého zloženia. Hneď je potrebné poznamenať, že kvantové bodky sú skôr matematickým modelom ako skutočnými objektmi. A to je spôsobené nemožnosťou vytvorenia úplne oddelených štruktúr - malé častice vždy interagujú s prostredím, sú v kvapalnom médiu alebo v pevnej matrici.

Aby ste pochopili, čo sú kvantové bodky a ich elektronickú štruktúru, predstavte si staroveký grécky amfiteáter. Teraz si predstavte, že na javisku sa odohráva vzrušujúce predstavenie a publikum je plné ľudí, ktorí sa prišli pozrieť na hercov. Ukazuje sa teda, že správanie ľudí v divadle je v mnohom podobné správaniu elektrónov kvantovej bodky (QD). Počas predstavenia sa herci pohybujú po aréne bez toho, aby vošli do publika a samotní diváci sledujú dianie zo sedadiel a nezostupujú na javisko. Aréna sú nižšie vyplnené úrovne kvantovej bodky a rady divákov sú vzrušené elektronické úrovne s vyššou energiou. V tomto prípade, tak ako môže byť divák v ktoromkoľvek rade v sále, elektrón môže zaberať akúkoľvek energetickú hladinu kvantovej bodky, ale nemôže byť umiestnený medzi nimi. Pri kúpe lístkov na predstavenie v pokladni sa každý snažil získať čo najviac najlepšie miesta- čo najbližšie k javisku. Ozaj, kto by chcel sedieť v poslednom rade, kde hercovi neuvidíte do tváre ani ďalekohľadom! Preto, keď sa publikum pred začiatkom predstavenia usadí, všetky spodné rady sály sú zaplnené, rovnako ako v stacionárnom stave CT, ktoré má najnižšiu energiu, sú nižšie energetické hladiny úplne obsadené elektrónmi. Počas predstavenia sa však môže stať, že niektorý z divákov opustí svoje miesto, napríklad preto, že na javisku hrá príliš hlasno hudba alebo ho len prichytil nepríjemný sused, a presunie sa do voľného horného radu. Takto je v kvantovej bodke elektrón pod vplyvom vonkajšieho vplyvu nútený prejsť na vyššiu energetickú hladinu, ktorá nie je obsadená inými elektrónmi, čo vedie k vytvoreniu excitovaného stavu kvantovej bodky. Pravdepodobne sa pýtate, čo sa stane s tým prázdnym priestorom na energetickej hladine, kde býval elektrón – takzvaná diera? Ukazuje sa, že prostredníctvom interakcií náboja s ním elektrón zostáva spojený a môže sa kedykoľvek vrátiť späť, rovnako ako divák, ktorý sa pohol, môže vždy zmeniť názor a vrátiť sa na miesto uvedené na jeho lístku. Pár elektrón-diera sa nazýva „excitón“. anglické slovo„nadšený“, čo znamená „vzrušený“. Migrácia medzi energetickými hladinami QD, podobná stúpaniu alebo klesaniu jedného z divákov, je sprevádzaná zmenou energie elektrónu, ktorá zodpovedá absorpcii alebo emisii kvanta svetla (fotónu), keď elektrón posúva na vyššiu alebo vyššiu úroveň, resp. nízky level. Správanie elektrónov v kvantovej bodke opísané vyššie vedie k diskrétnemu energetickému spektru, ktoré nie je charakteristické pre makroobjekty, pre ktoré sa QD často nazývajú umelé atómy, v ktorých sú hladiny elektrónov diskrétne.

Sila (energia) spojenia medzi dierou a elektrónom určuje polomer excitónu, čo je charakteristická hodnota pre každú látku. Ak je veľkosť častíc menšia ako polomer excitónu, potom je excitón priestorovo obmedzený svojou veľkosťou a zodpovedajúca väzbová energia sa výrazne mení v porovnaní s objemovou látkou (pozri „efekt kvantovej veľkosti“). Nie je ťažké uhádnuť, že ak sa zmení energia excitónu, tak sa zmení aj energia fotónu emitovaného systémom, keď sa excitovaný elektrón presunie na svoje pôvodné miesto. Získaním monodisperzných koloidných roztokov nanočastíc rôznych veľkostí je teda možné riadiť energie prechodov v širokom rozsahu optického spektra.

Kvantové bodky. Všeobecné informácie.

Prvé kvantové bodky boli kovové nanočastice, ktoré boli syntetizované späť staroveký Egypt na farbenie rôznych skiel (mimochodom, rubínové hviezdy Kremľa boli získané podobnou technológiou), aj keď tradičnejšie a všeobecnejšie známe QD sú polovodičové častice GaN pestované na substrátoch a koloidných roztokoch nanokryštálov CdSe. V súčasnosti je známych veľa spôsobov, ako získať kvantové bodky, napríklad ich možno „vyrezať“ z tenkých vrstiev polovodičových „heterostruktúr“ pomocou „nanolitografie“ alebo ich možno spontánne vytvoriť vo forme nano-veľkostí. inklúzie štruktúr jedného typu polovodičového materiálu v matrici druhého. Metódou „epitaxy molekulárneho lúča“ s výrazným rozdielom v parametroch jednotkovej bunky substrátu a deponovanej vrstvy je možné dosiahnuť rast pyramídových kvantových bodiek na substráte, pre štúdium vlastností ktorý akademik Zh.I. Alferov dostal Nobelovu cenu. Riadením podmienok procesov syntézy je teoreticky možné získať kvantové bodky určitých veľkostí so špecifikovanými vlastnosťami.

Kvantové bodky sú dostupné ako jadrá, tak aj ako heteroštruktúry jadro-plášť. Vďaka svojej malej veľkosti majú QD vlastnosti odlišné od objemových polovodičov. Priestorové obmedzenie pohybu nosičov náboja vedie k efektu kvantovej veľkosti, vyjadrenému v diskrétnej štruktúre elektronických úrovní, a preto sa QD niekedy nazývajú „umelé atómy“.

V závislosti od veľkosti a chemické zloženie Kvantové bodky vykazujú fotoluminiscenciu vo viditeľnom a blízkom infračervenom rozsahu. Vzhľadom na ich vysokú rovnomernosť veľkosti (viac ako 95 %) majú navrhované nanokryštály úzke emisné spektrá (polovičná šírka fluorescenčného vrcholu 20-30 nm), čo zaisťuje fenomenálnu čistotu farieb.

Kvantové bodky môžu byť dodávané ako roztoky v nepolárnych organických rozpúšťadlách, ako je hexán, toluén, chloroform, alebo ako suché prášky.

QD sú stále „mladým“ objektom výskumu, ale široké vyhliadky na ich využitie pri navrhovaní laserov a displejov novej generácie sú už celkom zrejmé. Optické vlastnosti QD sa využívajú v najneočakávanejších oblastiach vedy, ktoré vyžadujú laditeľné luminiscenčné vlastnosti materiálu, napríklad v lekárskom výskume je možné s ich pomocou „osvetliť“ choré tkanivá.

Klasifikácia kvantových bodov.

Koloidná syntéza kvantových bodov ponúka široké možnosti ako pri získavaní kvantových bodov na báze rôznych polovodičových materiálov, tak aj kvantových bodov s rôznymi geometriami (tvarmi). Nemenej dôležitá je možnosť syntézy kvantových bodov zložených z rôznych polovodičov. Koloidné kvantové bodky budú charakterizované zložením, veľkosťou a tvarom.

1. Zloženie kvantových bodov (polovodičový materiál)

V prvom rade sú kvantové bodky praktické ako luminiscenčné materiály. Hlavné požiadavky na polovodičové materiály, na základe ktorých sa syntetizujú kvantové bodky, sú nasledujúce. V prvom rade ide o priamočiary charakter spektra pásma – zabezpečuje efektívnu luminiscenciu a po druhé o nízku efektívnu hmotnosť nosičov náboja – prejav efektov kvantovej veľkosti v pomerne širokom rozsahu veľkostí (samozrejme, podľa štandardov nanokryštálov). Je možné rozlíšiť nasledujúce triedy polovodičových materiálov. Širokogapové polovodiče (oxidy ZnO, TiO2) - ultrafialová oblasť. Strednopásmové polovodiče (A2B6, napríklad chalkogenidy kadmia, A3B5) - viditeľný rozsah.

Rozsahy zmien v efektívnom zakázanom pásme kvantových bodov pri

zmena veľkosti od 3 do 10 nm.

Obrázok ukazuje možnosť variácie efektívnej zakázanej vzdialenosti pre najbežnejšie polovodičové materiály vo forme nanokryštálov s veľkosťou v rozsahu 3-10 nm. Z praktického hľadiska sú dôležité optické rozsahy viditeľné 400-750 nm, blízko IR 800-900 nm - okno priehľadnosti krvi, 1300-1550 nm - telekomunikačný rozsah

1. Tvar kvantovej bodky

Okrem zloženia a veľkosti bude mať na vlastnosti kvantových bodov vážny vplyv aj ich tvar.

- Sférický(priamo kvantové bodky) - väčšina kvantových bodiek. V súčasnosti majú najväčšie praktické uplatnenie. Najjednoduchšie na výrobu.

- Elipsoidný(nanorodičky) - nanokryštály pretiahnuté v jednom smere.

Koeficient elipticity 2-10. Uvedené hranice sú ľubovoľné. Z praktického hľadiska sa táto trieda kvantových bodov používa ako zdroje polarizovaného žiarenia. Pre veľké koeficienty elipticity >50 tento typ Nanokryštály sa často nazývajú nanodrôty.

- Nanokryštály so zložitou geometriou(napr. tetrapody). Je možné syntetizovať dostatočnú rozmanitosť tvarov - kubické, hviezdičky atď., Ako aj rozvetvené štruktúry. Z praktického hľadiska by tetrapody mohli nájsť uplatnenie ako molekulárne spínače. Momentálne majú veľký akademický záujem.

1. Viaczložkové kvantové bodky

Metódy koloidnej chémie umožňujú syntetizovať viaczložkové kvantové bodky z polovodičov s rozdielne vlastnosti, predovšetkým s rôznymi zakázanými pásmami. Táto klasifikácia je v mnohých ohľadoch podobný tomu, ktorý sa tradične používa v polovodičoch.

Dopované kvantové bodky

Množstvo vnesenej nečistoty je spravidla malé (1-10 atómov na kvantový bod s priemerným počtom atómov v kvantovom bode 300-1000). Elektrónová štruktúra kvantovej bodky sa nemení; interakcia medzi atómom nečistoty a excitovaným stavom kvantovej bodky je dipólového charakteru a je redukovaná na prenos excitácie. Hlavné legujúce nečistoty sú mangán, meď (luminiscencia vo viditeľnom rozsahu).

Kvantové bodky založené na tuhých roztokoch.

Pre kvantové bodky je možná tvorba tuhých roztokov polovodičov, ak je dodržaná vzájomná rozpustnosť materiálov v objemovom stave. Rovnako ako v prípade objemových polovodičov, tvorba tuhých roztokov vedie k úprave energetického spektra - efektívne charakteristiky sú superpozíciou hodnôt pre jednotlivé polovodiče. Tento prístup vám umožňuje zmeniť efektívnu medzeru v pásme pri pevnej veľkosti – poskytuje ďalší spôsob ovládania charakteristík kvantových bodov.

Kvantové bodky založené na heterojunkciách.

Tento prístup je implementovaný v kvantových bodoch typu jadro-plášť (jadro je vyrobené z jedného polovodiča, obal je vyrobený z druhého). Vo všeobecnosti ide o vytvorenie kontaktu medzi dvoma časťami z rôznych polovodičov. Analogicky s klasickou teóriou heterojunkcií možno rozlíšiť dva typy kvantových bodiek typu jadro-obal.

Fotoluminiscenčné kvantové bodky.

Obzvlášť zaujímavé sú fotoluminiscenčné kvantové bodky, v ktorých absorpciou fotónu vznikajú páry elektrón-diera a rekombinácia elektrónov a dier spôsobuje fluorescenciu. Takéto kvantové bodky majú úzky a symetrický vrchol fluorescencie, ktorého poloha je určená ich veľkosťou. V závislosti od ich veľkosti a zloženia teda môžu QD fluoreskovať v UV, viditeľnej alebo IR oblasti spektra.

Kvantové bodky na báze chalkogenidov kadmia fluoreskujú rôznymi farbami v závislosti od ich veľkosti

Napríklad kvantové bodky ZnS, CdS A ZnSe fluorescenčné v UV oblasti, CdSe A CdTe vo viditeľnom a PbS, PbSe A PbTe v blízkej IR oblasti (700-3000 nm). Okrem toho je z vyššie uvedených zlúčenín možné vytvárať heteroštruktúry, ktorých optické vlastnosti sa môžu líšiť od vlastností pôvodných zlúčenín. Najpopulárnejšie je postaviť plášť polovodiča so širšou medzerou na jadro z polovodiča s úzkou medzerou, napríklad na jadro. CdSe vyrásť mušľa z ZnS :

Model štruktúry kvantovej bodky pozostávajúcej z jadra CdSe potiahnutého epitaxiálnym obalom ZnS (štrukturálny typ sfaleritu)

Táto technika umožňuje výrazne zvýšiť stabilitu QD voči oxidácii, ako aj výrazne zvýšiť kvantový výťažok fluorescencie znížením počtu defektov na povrchu jadra. Charakteristickou vlastnosťou QD je kontinuálne absorpčné spektrum (fluorescenčná excitácia) v širokom rozsahu vlnových dĺžok, ktoré tiež závisí od veľkosti QD. To umožňuje súčasne excitovať rôzne kvantové bodky na rovnakej vlnovej dĺžke. Okrem toho majú QD vyšší jas a lepšiu fotostabilitu v porovnaní s tradičnými fluorofórmi.

Takéto jedinečné optické vlastnosti kvantových bodiek otvárajú široké vyhliadky na ich použitie ako optické senzory, fluorescenčné markery, fotosenzibilizátory v medicíne, ako aj na výrobu fotodetektorov v IR oblasti, solárnych článkov. vysoká účinnosť, subminiatúrne LED diódy, zdroje bieleho svetla, jednoelektrónové tranzistory a nelineárne optické zariadenia.

Získanie kvantových bodov

Existujú dva hlavné spôsoby výroby kvantových bodiek: koloidná syntéza, ktorá sa uskutočňuje zmiešaním prekurzorov „v banke“ a epitaxia, t.j. orientovaný rast kryštálov na povrchu substrátu.

Prvý spôsob (koloidná syntéza) sa realizuje v niekoľkých variantoch: pri vysokej alebo izbovej teplote, v inertnej atmosfére v organických rozpúšťadlách alebo vo vodnom roztoku, s organokovovými prekurzormi alebo bez nich, s alebo bez molekulárnych zhlukov, ktoré uľahčujú nukleáciu. Používa sa aj vysokoteplotná chemická syntéza, ktorá sa uskutočňuje v inertnej atmosfére zahrievaním anorganických kovových prekurzorov rozpustených vo vysokovriacich organických rozpúšťadlách. To umožňuje získať kvantové bodky jednotnej veľkosti s vysokým kvantovým výťažkom fluorescencie.

V dôsledku koloidnej syntézy sa získajú nanokryštály pokryté vrstvou adsorbovaných molekúl povrchovo aktívneho činidla:

Schematické znázornenie koloidnej kvantovej bodky jadro-plášť s hydrofóbnym povrchom. Jadro polovodiča s úzkou medzerou (napríklad CdSe) je znázornené oranžovou farbou, plášť polovodiča so širokou medzerou (napríklad ZnS) je znázornený červenou farbou a organický obal molekúl povrchovo aktívnej látky je znázornený čiernou farbou.

Vďaka hydrofóbnemu organickému obalu je možné koloidné kvantové bodky rozpustiť v akýchkoľvek nepolárnych rozpúšťadlách a s vhodnou modifikáciou aj vo vode a alkoholoch. Ďalšou výhodou koloidnej syntézy je možnosť získania kvantových bodov v subkilogramových množstvách.

Druhá metóda (epitaxia) - tvorba nanoštruktúr na povrchu iného materiálu, zvyčajne zahŕňa použitie unikátneho a drahého zariadenia a navyše vedie k produkcii kvantových bodov „naviazaných“ na matricu. Metódu epitaxie je ťažké škálovať na priemyselnú úroveň, čo ju robí menej príťažlivou pre masovú výrobu kvantových bodiek.

Biosenzory využívajúce kvantové bodky. Perspektívy ich využitia v klinickej diagnostike.

Kvantová bodka - veľmi malý fyzikálny objekt, ktorého veľkosť je menšia ako polomer Bohrovho excitónu, čo vedie k výskytu kvantových efektov, napríklad silnej fluorescencie.

Výhodou kvantových bodov je, že môžu byť excitované jediným zdrojom žiarenia. V závislosti od svojho priemeru svietia rôznym svetlom a kvantové bodky všetkých farieb sú excitované jedným zdrojom.

Na Ústave bioorganickej chémie pomenovanej po. Akademici M.M. Shemyakin a Yu.A. Ovchinnikov RAS produkuje kvantové bodky vo forme koloidných nanokryštálov, čo umožňuje ich použitie ako fluorescenčné značky. Sú veľmi jasné, dokonca aj bežným mikroskopom vidíte jednotlivé nanokryštály. Okrem toho sú fotoodolné – pri vystavení žiareniu s vysokou hustotou energie môžu dlho svietiť.

Ďalšou výhodou kvantových bodiek je, že v závislosti od materiálu, z ktorého sú vyrobené, je možné získať fluorescenciu v infračervenej oblasti, kde sú biologické tkanivá najtransparentnejšie. Navyše, ich fluorescenčná účinnosť je neporovnateľná s akýmikoľvek inými fluorofórmi, čo umožňuje ich použitie na vizualizáciu rôznych útvarov v biologických tkanivách.

Na príklade diagnostiky autoimunitného ochorenia – systémovej sklerózy (sklerodermie) – bola preukázaná možnosť kvantových bodiek v klinickej proteomike. Diagnostika je založená na zázname autoimunitných protilátok.

O autoimunitné ochorenia vlastné bielkoviny tela začnú ovplyvňovať svoje vlastné biologické objekty (bunkové steny atď.), Čo spôsobuje závažnú patológiu. Zároveň sa v biologických tekutinách objavujú autoimunitné protilátky, čo využili na diagnostiku a detekciu autoprotilátok.

Proti sklerodermii existuje množstvo protilátok. Diagnostické schopnosti kvantových bodov boli demonštrované na príklade dvoch protilátok. Antigény proti autoprotilátkam boli aplikované na povrch polymérnych mikroguľôčok obsahujúcich kvantové bodky danej farby (každý antigén mal svoju vlastnú farbu mikroguľôčok). Testovacia zmes obsahovala okrem mikroguľôčok aj sekundárne protilátky spojené so signálnym fluorofórom. Potom sa do zmesi pridala vzorka a ak obsahovala požadovanú autoprotilátku, v zmesi sa vytvoril komplex mikrosféra - autoprotilátka - signálny fluorofor.

Autoprotilátka bola v podstate linker, ktorý spájal mikrosféru určitej farby so signálnym fluorofórom. Tieto mikroguľôčky sa potom analyzovali pomocou prietokovej cytometrie. Výskyt simultánneho signálu z mikroguľôčky a signálneho fluorofóru je dôkazom toho, že došlo k väzbe a na povrchu mikroguľôčok sa vytvoril komplex, vrátane sekundárnych protilátok so signálnym fluorofórom. V tomto momente skutočne žiarili kryštály mikroguľôčok a signálny fluorofór, ktorý bol spojený so sekundárnou protilátkou.

Súčasný výskyt oboch signálov naznačuje, že zmes obsahuje detekovateľný cieľ - autoprotilátku, ktorá je markerom ochorenia. Ide o klasickú “sendvičovú” metódu registrácie, kedy ide o dve rozpoznávacie molekuly, t.j. Preukázala sa možnosť simultánnej analýzy viacerých markerov, čo je základom vysokej spoľahlivosti diagnostiky a možnosti tvorby liekov, ktoré dokážu odhaliť ochorenie v ranom štádiu.

Použite ako bioznačky.

Vytvorenie fluorescenčných značiek na báze kvantových bodov je veľmi sľubné. V porovnaní s organickými farbivami je možné rozlíšiť nasledujúce výhody kvantových bodiek: schopnosť regulovať vlnovú dĺžku luminiscencie, vysoký extinkčný koeficient, rozpustnosť v širokom rozsahu rozpúšťadiel, stabilita luminiscencie pri účinku životné prostredie, vysoká fotostabilita. Môžeme tiež zaznamenať možnosť chemickej (alebo navyše biologickej) modifikácie povrchu kvantových bodiek, čo umožňuje selektívnu väzbu na biologické objekty. Pravý obrázok ukazuje farbenie bunkových prvkov pomocou vo vode rozpustných kvantových bodov, ktoré luminiscujú vo viditeľnom rozsahu. Ľavý obrázok ukazuje príklad použitia metódy nedeštruktívnej optickej tomografie. Fotografia bola urobená v blízkom infračervenom rozsahu pomocou kvantových bodov s luminiscenciou v rozsahu 800-900 nm (priehľadné okno teplokrvnej krvi) zavedených do myši.

Obr.21. Použitie kvantových bodiek ako bioznačiek.

Záver.

V súčasnosti sú medicínske aplikácie využívajúce kvantové bodky stále obmedzené, a to z dôvodu, že vplyv nanočastíc na ľudské zdravie nebol dostatočne preskúmaný. Avšak ich využitie v diagnostike nebezpečných chorôb sa javí ako veľmi sľubná, najmä na ich základe bola vyvinutá metóda imunofluorescenčnej analýzy. A počas liečby onkologické ochorenia Používa sa už napríklad metóda takzvanej fotodynamickej terapie. Nanočastice sa vstreknú do nádoru, následne sa ožiaria a následne sa z nich táto energia prenesie na kyslík, ktorý prejde do excitovaného stavu a nádor zvnútra „vypáli“.

Biológovia tvrdia, že je ľahké navrhnúť kvantové bodky, ktoré reagujú pri akejkoľvek vlnovej dĺžke, ako je napríklad blízke infračervené spektrum. Potom bude možné nájsť nádory skryté hlboko vo vnútri tela.

Okrem toho môžu určité nanočastice poskytnúť charakteristickú odozvu pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou.

Budúce plány výskumníkov vyzerajú ešte lákavejšie. Nové kvantové bodky spojené so súborom biomolekúl nielen nájdu a indikujú nádor, ale tiež dodajú nové generácie liekov presne na miesto.

Je možné, že práve táto aplikácia nanotechnológie bude najbližšie k praktickej a masovej implementácii, akú sme v laboratóriách v posledných rokoch videli.

Ďalším smerom je optoelektronika a nové typy LED - ekonomické, miniatúrne, jasné. Využívajú sa tu výhody kvantových bodov, ako je ich vysoká fotostabilita (ktorá zaručuje dlhodobú prevádzku zariadení vytvorených na ich základe) a schopnosť poskytnúť akúkoľvek farbu (s presnosťou jedného alebo dvoch nanometrov na stupnici vlnových dĺžok) a akúkoľvek farebnú teplotu (od 2 stupňov Kelvina až po 10 tisíc a viac). LED diódy možno v budúcnosti použiť na výrobu displejov pre monitory – veľmi tenké, flexibilné, s vysokým kontrastom obrazu.

Bibliografia.

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.. Príprava nanokryštálov CdSe dopovaných meďou // Anorganické materiály. 2009. T. 45. Číslo 4. S. 393-398.
2. Oleynikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. Fluorescenčné polovodičové nanokryštály

v biológii a medicíne // Nano. - 2007. - S. 160 173.

1. Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. A Ratiometrický CdSe/ZnS nanokryštálový pH senzor // J. Am. Chem. Soc.. - 2006. - V. 128. S. 13320 13321.
2. Kulbachinsky V. A. Semiconductor quantum dots // Sorosov vzdelávací časopis. - 2001. - T. 7. - č. 4. - s. 98 - 104.

Stiahnuť ▼:
Nemáte prístup k sťahovaniu súborov z nášho servera.

1.3.1. Integrálne a lokálne hustoty štátov

1.3.2. Spontánna emisia fotónov

1.3.3. Tepelné žiarenie

1.3.4. Ramanov rozptyl

1.3.5. Rezonančný (Rayleighov) rozptyl

1.4. Záver

Bibliografia

2. Optické žiarenie v lineárnych a nelineárnych periodických štruktúrach

2.1. Úvod

2.2.1. Kvázioptická aproximácia

2.2.2. Šošovkové vlnovody a laserové dutiny

2.2.4. Samozaostrovanie malého rozsahu v periodických systémoch

2.2.5. Kvázisynchrónna parametrická interakcia

2.3. Jednovidové vlákno s Braggovou mriežkou

2.3.1. Obojsmerné šírenie žiarenia

2.3.2. Braggoví solitóni

2.3.3. Optická bistabilita a spínanie

2.3.4. Polovodičové mikrodutiny

2.4. Súvisiace svetlovody

2.5. Dvojrozmerné fotonické kryštály

2.5.1. Neideálne fotonické kryštály

2.5.2. Nelineárne dvojrozmerné fotonické kryštály

2.6. Záver

Bibliografia

3. Optika kvantových vrtov a supermriežok

3.1. Klasifikácia heteroštruktúr

3.2. Kvantovanie veľkosti elektronických stavov

3.3. Pravidlá výberu pre optické prechody

3.3.1. Medzipásmové a vnútropásmové optické prechody medzi subpásmami kvantovania veľkosti

3.3.2. Polarizačné vlastnosti optických prechodov z ťažkých a ľahkých dierových subpásiem

3.4. Rezonančný odraz a absorpcia svetla v štruktúrach s kvantovými vrtmi

3.5. Sekundárna žiara heteroštruktúr

3.6. Kvantové mikrodutiny

3.7. Záver

Bibliografia

4. Kvantová bodová optika

4.1. Úvod

4.1.1. Dimenzionálne kvantizačné stavy elektronických a fonónových excitácií kvantových bodov

4.1.2. Interakcia elektrón-fonón v kvantových bodkách

4.1.3. Dynamika elektronických excitácií kvantovej bodky

4.2. Optické metódy na štúdium kvantových bodov

4.2.1. Štúdium energetickej štruktúry elektrónových excitácií

4.2.3. Štúdium dynamiky elementárnych excitácií kvantových bodov

4.2.4. Optická spektroskopia jednej kvantovej bodky

4.3. Aplikácie kvantových bodov

4.3.1. Kvantové bodové lasery pre vláknovú komunikáciu

4.3.2. Kvantové bodky v biológii a medicíne

Bibliografia

5. Optické rezonančné vlastnosti kovových nanočastíc

5.1. Úvod

5.2. Mie rezonancie jednotlivých kovových nanočastíc

5.2.1. Efekt veľkosti

5.2.2. Tvarové efekty

5.3. Vplyv prostredia na rezonancie kovových nanočastíc

5.3.1. Elektrodynamické efekty

5.3.2. Kontaktné efekty

5.4. Nelineárne optické vlastnosti kovových nanočastíc

5.4.1. Generovanie vyšších harmonických

5.4.2. Optické Ramanove procesy

5.5. Heterogénne systémy kovových nanočastíc

5.5.1. Štrukturálne parametre heterogénnych systémov

5.5.2. Meranie relaxačných parametrov jednotlivých rezonancií v nehomogénnych systémoch

5.6. Aplikácie kovových nanočastíc súvisiace s ich optickými vlastnosťami

5.7. Záver

Bibliografia

A.V. Fedorov, A.V. Baranov

Ln[ K(τ) ]

τ, ps

Ryža. 4.32. a je logaritmus obálky koherentného monitorovacieho signálu ako funkcia vzájomného oneskorenia medzi impulzmi pre rôzne relatívne príspevky Lorentzových homogénnych a Gaussových nehomogénnych rozšírení (r = 2 = ! ). Plná čiara – čisto Lorentzove homogénne rozšírenie s ~ 2 = 21:25 µeV; prerušovaná čiara –r =1/1; bodkovaná čiara –r =1/2,5; prerušovaná –r = 1/14. Absolútne hodnoty2 a! boli zvolené takým spôsobom, že HWHM fotoluminiscenčnej čiary jednej kvantovej bodky sa udržiaval konštantný (21: 25 μeV) v súlade s prácou. b – Voigtov obrys fotoluminiscenčnej čiary jednej kvantovej bodky, vypočítaný pre rovnaké parametre ako v prípade a.

meracie zariadenie a nastavenie s Voigtovým obvodom. To vedie k ďalším chybám. Na obr. 4.32 b tvary fotoluminiscenčných čiar jednej kvantovej bodky sú vynesené pre rovnaké pomery2 = ! ako na obr. 4.32 a. Je vidieť, že najinformatívnejšou časťou spektrálnych čiar sú ich krídla, kde je ťažké dosiahnuť dobrý prístup signál/šum. Zodpovedajúce zmeny v K() sú zároveň najvýraznejšie v oblasti, kde je možné získať koherentný riadiaci signál s dostatočnou presnosťou. Metódu koherentného riadenia teda možno použiť na štúdium účinkov fluktuácií nábojového prostredia v optických a relaxačných procesoch.

4.3. Aplikácie kvantových bodov

4.3.1. Kvantové bodové lasery pre vláknovú komunikáciu

Rozvoj telekomunikácií s optickými vláknami viedol k potrebe vytvoriť efektívne polovodičové lasery a optické zosilňovače pracujúce v spektrálnej oblasti minimálnych strát vlnovodu (1,25–1,65 μm). Najväčšia vlnová dĺžka dosiahnutá lasermi s kvantovými vrtmi InGaAs/GaAs je 1230 nm pre zariadenia, ktoré generujú z konca a 1260 nm pre lasery s vertikálnou dutinou. Dostatočne veľké prahové prúdy, nízka prevádzková teplota a nízka

4. Kvantová bodová optika

Teplotná stabilita takýchto laserov nie vždy spĺňa požiadavky na vysokorýchlostné telekomunikačné zariadenia.

Pokrok vo výrobe viacvrstvových štruktúr samozostavaných kvantových bodov zlúčenín A3 B5, dostatočne jednotných vo veľkosti a tvare pri vysokej povrchovej hustote, viedol k vytvoreniu polovodičových laserov s kvantovými bodkami ako aktívnym médiom. Výsledkom je, že spektrálna oblasť 1, 0–1, 7 μm sa stala dostupnou pre lasery ako pre lasery tradičného dizajnu, tak aj pre lasery s vertikálnou dutinou pomocou kvantových bodov InGaAs a substrátov GaAs. Najmä oba typy laserov môžu generovať žiarenie s vlnovou dĺžkou 1,3 µm s extrémne nízkymi prahovými prúdmi a vysokým výstupným výkonom. Nedávno bol demonštrovaný širokopásmový kvantový bodový laser, ktorý vyžaruje pri 1,5 μm s prúdovou hustotou iba 70 A/cm2 na vrstvu kvantových bodov pri izbovej teplote. Optické zosilňovače založené na štruktúrach kvantových bodov sú zaujímavé pre vysokorýchlostné spracovanie signálu pri rýchlostiach nad 40 Gbit/s. Je dôležité, že vyvinuté technológie GaAs umožňujú vyrábať pomerne lacné monolitické kvantové bodové lasery s vertikálnou dutinou a distribuovanými Braggovými zrkadlami na báze párov AlAs/GaAs a AlOx/GaAs.

Je potrebné poznamenať, že v dôsledku nehomogénneho rozšírenia elektronických prechodov v kvantových bodoch je možné rozšíriť oblasť nepretržitého ladenia vlnovej dĺžky lasera. S miernym zvýšením prahových prúdov môže dosiahnuť 200 nm (1,033–1,234 µm).

Lasery využívajúce kvantové bodky InAs a substráty InP sú tiež zaujímavé, pretože umožňujú lasovanie v rozsahu dlhších vlnových dĺžok (1, 8–2, 3 μm), čo je dôležité pre aplikácie v molekulárnej spektroskopii a diaľkovom monitorovaní plynových atmosfér pomocou lidarov. Zároveň sa generovanie žiarenia s vlnovými dĺžkami 1,9 a 2 μm z lasera s aktívnym médiom z takejto heteroštruktúry doteraz získalo len pri nízkych (77 K) teplotách. Je zaujímavé, že lasery pri vlnových dĺžkach 1,6 a 1,78 μm boli demonštrované aj pre lasery založené na kvantových drôtoch InAs - jednorozmerných kvantových štruktúrach na substráte (001) InP. Nakoniec sa kontinuálne laserové žiarenie v oblasti 2 μm získalo pri izbovej teplote s použitím kvantových bodiek na báze InAsSb pestovaných na substráte (001) InP ako aktívneho média lasera.

Intenzívny rozvoj tohto smeru viedol k tomu, že v súčasnosti sa stali komerčne dostupné niektoré typy polovodičových laserov s aktívnym prostredím na báze kvantových bodov.

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

4.3.2. Kvantové bodky v biológii a medicíne

Jednou z najaktívnejšie sa rozvíjajúcich oblastí aplikácie polovodičových kvantových bodov je použitie koloidných kvantových bodov (polovodičových nanokryštálov v organických a vodných roztokoch) ako luminiscenčných značiek na vizualizáciu štruktúry biologických objektov. odlišné typy a na ultracitlivú detekciu biochemických reakcií, ktoré sú mimoriadne dôležité v molekulárnej a bunkovej biológii, lekárskej diagnostike a terapii. Luminiscenčná značka je fosfor spojený s molekulou linkera, ktorý sa môže selektívne viazať na detekovateľnú biologickú štruktúru (cieľ). Značky musia byť rozpustné vo vode, mať vysoký absorpčný koeficient a vysoký kvantový výťažok luminiscencie v úzkom spektrálnom pásme. Posledné uvedené je obzvlášť dôležité pre záznam viacfarebných obrázkov, keď sú rôzne ciele v bunke označené rôznymi štítkami. Organické farbivá sa zvyčajne používajú ako fosfor na štítky. Ich nevýhodou je nízka odolnosť voči fotobieleniu, ktorá neumožňuje dlhodobé merania, nutnosť použitia viacerých svetelných zdrojov na excitáciu rôznych farbív, ako aj veľká šírka a asymetria luminiscenčných pásov, ktoré sťažujú analýzu viacfarebných obrázkov.

Nedávne pokroky v oblasti nanotechnológie nám umožňujú hovoriť o vytvorení novej triedy luminiscenčných štítkov s použitím polovodičových kvantových bodov - koloidných nanokryštálov - ako fosforu.

Syntéza nanokryštálov na báze zlúčenín A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) a A3 B5 (InP a GaAs) je známa už pomerne dlho. V roku 1993 bola navrhnutá vysokoteplotná organokovová syntéza kvantových bodov CdSe a získali sa nanokryštály s dobrou kryštálovou štruktúrou a úzkou distribúciou veľkosti, ale s kvantovým výťažkom nepresahujúcim 10 %. Prudké zvýšenie kvantového výťažku kvantových bodiek na 85 % pri izbovej teplote sa dosiahlo, keď sa nanokryštály začali poťahovať tenkým (1–2 monovrstvovým) obalom iného materiálu s väčšou šírkou zakázaného pásu (napríklad pre CdSe je to ZnS, CdS, CdO). Takéto štruktúry sa nazývajú jadro/obal kvantové bodky (core/shell QDs). Priemer kvantových bodov (od 1,5 nm a viac) je možné regulovať zmenou reakčného času, ktorý prebieha pri teplote okolo 300 °C, od minút do niekoľkých hodín, alebo jednoducho výberom požadované množstvo produkt cez iný čas po začiatku reakcie. V dôsledku toho sa ukázalo, že je možné získať súbor kvantových bodov rovnakého zloženia, ale s rôznymi veľkosťami. Napríklad poloha luminiscenčného pásma CdSe/ZnS QD sa môže meniť v rozsahu od 433 do 650 nm (2,862–1,906 eV) so šírkou pásma približne 30 meV. Použitie iných materiálov sa môže výrazne rozšíriť spektrálnej oblasti preskupenie luminiscenčného pásu nanokryštálov (obr. 4.33). V podstate

				Kvantová bodová optika
Intenzita
		vlnová dĺžka,

Ryža. 4.33. Luminiscenčné spektrá polovodičových nanokryštálov rôzneho zloženia a veľkosti. Plné čiary zodpovedajú nanokryštálom CdSe s priemermi 1,8, 3,0 a 6,0 nm, bodkované čiary zodpovedajú nanokryštálom InP s priemerom 3,0 a 4,6 nm a prerušované čiary zodpovedajú nanokryštálom InAs s veľkosťou 2,8, 3,6, 4,6 a 6,0 nm. .

že nanokryštály vykazujú užšie a symetrickejšie luminiscenčné pásy ako bežné organické farbivá. Toto je mimoriadne dôležitá výhoda pri analýze viacfarebných obrázkov. Na obr. Ako príklad obr. 4.34 porovnáva luminiscenčné spektrá nanokryštálov CdSe/ZnS a molekúl rodamínu 6G.

Intenzita, rel. Jednotky

Rodamín 6 F

Kvantové bodky

Vlnová dĺžka, nm

Ryža. 4.34. Porovnanie luminiscenčných pásov kvantových bodov a molekúl rodamínu 6G.

Ďalšou výhodou je, že nanokryštály rovnakého zloženia majú zvyčajne široký absorpčný pás s vysokým molárnym extinkčným koeficientom (až 10−6 cm−1 M−1), čo zodpovedá prechodom do vysokoenergetických stavov. Jeho poloha slabo závisí od veľkosti kvantovej bodky. Preto je to na rozdiel od farbív možné

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

efektívne budenie luminiscencie nanokryštálov rôznych veľkostí jedným laserovým svetelným zdrojom. Hlavnou výhodou však je, že nanokryštály majú vynikajúcu fotostabilitu: nevyblednú niekoľko hodín alebo dokonca dní, pričom charakteristické časy fotobielenia konvenčných fosforov sú obmedzené na niekoľko minút (obr. 4.35 AlexaFluor® 488Obr. 4.35. Fotoindukovaná degradácia luminiscencie tagov na báze nanokryštálov CdSe/ZnS a tradičných molekulárnych fosforov pod vplyvom žiarenia ortuťovej lampy.

Povrch takýchto kvantových bodov, získaných ako výsledok chemickej reakcie, je pokrytý hydrofóbnymi molekulami použitými pri syntéze, takže sú rozpustné iba v organických rozpúšťadlách. Keďže biologické entity (proteíny, DNA, peptidy) existujú iba vo vodných roztokoch, boli vyvinuté metódy na úpravu povrchu nanokryštálov, ktoré ich robia rozpustnými vo vode s pozitívne aj negatívne nabitými povrchmi. Bolo navrhnutých niekoľko typov spojovacích molekúl, ktoré umožňujú selektívne spájať nanokryštály s analyzovanými biomolekulami. Ako príklad je na obr. 4.36 znázornený príklad nanokryštálu CdSe potiahnutého plášťom ZnS, ktorý je kovalentne spojený s proteínom molekulou kyseliny merkaptooctovej.

Na samom V poslednej dobe luminiscenčné značky založené na polovodičových kvantových bodoch pre ciele rôzne druhy sa stali komerčne dostupnými.

Ak chcete použiť kvantové bodky in vivo, musia sa prijať opatrenia na zníženie ich toxicity. Na tieto účely sa navrhuje umiestniť kvantové bodky do inertných polymérových guľôčok s priemerom 50–300 nm a použiť ich ako fosfor v prípadoch, keď relatívne veľké veľkosti nanosfér nebránia ich použitiu. Použite

14. júna 2018

Kvantová bodka je fragment vodiča alebo polovodiča, ktorého nosiče náboja (elektróny alebo diery) sú priestorovo obmedzené vo všetkých troch rozmeroch. Veľkosť kvantovej bodky musí byť dostatočne malá, aby boli kvantové efekty významné. To sa dosiahne, ak je kinetická energia elektrónu zreteľne väčšia ako všetky ostatné energetické stupnice: predovšetkým väčšia ako teplota, vyjadrená v energetických jednotkách. Kvantové bodky prvýkrát syntetizovali začiatkom 80. rokov Alexej Ekimov v sklenenej matrici a Louis E. Brous v koloidných roztokoch.

Termín „kvantová bodka“ vymyslel Mark Reed.

Energetické spektrum kvantovej bodky je diskrétne a vzdialenosť medzi stacionárnymi energetickými hladinami nosiča náboja závisí od veľkosti samotnej kvantovej bodky ako - ħ/(2md^2), kde:
– znížená Planckova konštanta;
d je charakteristická veľkosť bodu;
m je efektívna hmotnosť elektrónu v bode

Zjednodušene povedané, kvantová bodka je polovodič, ktorého elektrické vlastnosti závisia od jeho veľkosti a tvaru.
Napríklad, keď sa elektrón presunie na nižšiu energetickú hladinu, vyžiari sa fotón; Keďže môžete upraviť veľkosť kvantovej bodky, môžete zmeniť aj energiu emitovaného fotónu, a teda zmeniť farbu svetla vyžarovaného kvantovou bodkou.

Typy kvantových bodov
Existujú dva typy:
epitaxné kvantové bodky;
koloidné kvantové bodky.

V skutočnosti sú pomenované podľa metód používaných na ich získanie. Nebudem o nich podrobne hovoriť pre veľké množstvo chemických výrazov. Len dodám, že pomocou koloidnej syntézy je možné získať nanokryštály potiahnuté vrstvou adsorbovaných molekúl tenzidu. Sú teda rozpustné v organických rozpúšťadlách a po modifikácii aj v polárnych rozpúšťadlách.

Dizajn kvantových bodiek
Kvantová bodka je zvyčajne polovodičový kryštál, v ktorom sa realizujú kvantové efekty. Elektrón v takomto kryštáli sa cíti ako v trojrozmernej potenciálovej studni a má veľa stacionárnych energetických úrovní. V súlade s tým môže kvantová bodka pri pohybe z jednej úrovne na druhú emitovať fotón. Pri tom všetkom sú prechody ľahko ovládateľné zmenou rozmerov kryštálu. Je tiež možné preniesť elektrón na vysokú energetickú hladinu a prijať žiarenie z prechodu medzi nižšie položenými hladinami a v dôsledku toho získame luminiscenciu. V skutočnosti to bolo pozorovanie tohto javu, ktoré slúžilo ako prvé pozorovanie kvantových bodiek.

Teraz o displejoch
História plnohodnotných displejov sa začala písať vo februári 2011, keď spoločnosť Samsung Electronics predstavila vývoj plnofarebného displeja založeného na kvantových bodoch QLED. Išlo o 4-palcový displej ovládaný aktívnou maticou, t.j. Každý farebný pixel kvantovej bodky možno zapnúť a vypnúť pomocou tenkovrstvového tranzistora.

Na vytvorenie prototypu sa na kremíkovú dosku plošných spojov nanesie vrstva roztoku s kvantovými bodkami a nastrieka sa rozpúšťadlo. Potom sa do vrstvy kvantových bodiek vtlačí gumená pečiatka s hrebeňovým povrchom, ktorá sa oddelí a vytlačí na sklo alebo pružný plast. Takto sa na substrát nanášajú pruhy kvantových bodiek. Vo farebných displejoch obsahuje každý pixel červený, zelený alebo modrý subpixel. V súlade s tým sa tieto farby používajú s rôznou intenzitou, aby sa získalo čo najviac odtieňov.

Ďalším krokom vo vývoji bolo zverejnenie článku vedcov z Indického vedeckého inštitútu v Bangalore. Kde boli popísané kvantové bodky, ktoré luminiscujú nielen oranžovou, ale aj v rozsahu od tmavozelenej po červenú.

Prečo je LCD horší?
Hlavný rozdiel medzi QLED displejom a LCD je v tom, že LCD dokáže pokryť len 20-30% farebného rozsahu. V QLED televízoroch tiež nie je potrebné používať vrstvu so svetelnými filtrami, pretože kryštály, keď je na ne privedené napätie, vždy vyžarujú svetlo s jasne definovanou vlnovou dĺžkou a v dôsledku toho s rovnakou hodnotou farby.

Displeje z tekutých kryštálov pozostávajú z 5 vrstiev: zdrojom je biele svetlo vyžarované LED diódami, ktoré prechádza cez niekoľko polarizačných filtrov. Filtre umiestnené vpredu a vzadu spolu s tekutými kryštálmi riadia tok prechádzajúceho svetla, čím znižujú alebo zvyšujú jeho jas. Deje sa tak vďaka pixelovým tranzistorom, ktoré ovplyvňujú množstvo svetla prechádzajúceho cez filtre (červený, zelený, modrý).

Vygenerovaná farba týchto troch subpixelov, na ktoré sú aplikované filtre, dáva určitú farebnú hodnotu pixelu. Miešanie farieb prebieha celkom hladko, ale týmto spôsobom je jednoducho nemožné získať čistú červenú, zelenú alebo modrú. Kameňom úrazu sú filtre, ktoré neprepúšťajú len jednu vlnu určitej dĺžky, ale celý rad vĺn rôznych dĺžok. Napríklad oranžové svetlo prechádza aj cez červený filter.

Za zmienku stojí, že rozsah použitia kvantových bodov nie je okrem iného obmedzený len na LED monitory, možno ich použiť v tranzistoroch s efektom poľa, fotobunkách, laserových diódach a možnosti ich využitia v medicíne a kvantových výpočtoch; sa tiež študuje.

LED dióda vyžaruje svetlo, keď je na ňu privedené napätie. Vďaka tomu sa elektróny (e) prenášajú z materiálu typu N na materiál typu P. Materiál typu N obsahuje atómy s nadmerným počtom elektrónov. Materiál typu P obsahuje atómy, ktorým chýbajú elektróny. Keď nadbytočné elektróny vstúpia do druhého, uvoľnia energiu vo forme svetla. V bežnom polovodičovom kryštáli je to typicky biele svetlo produkované mnohými rôznymi vlnovými dĺžkami. Dôvodom je, že elektróny môžu byť v rôznych energetických úrovniach. Výsledkom je, že výsledné fotóny (P) majú rôzne energie, čo má za následok rôzne vlnové dĺžky žiarenia.

Svetelná stabilizácia s kvantovými bodkami
QLED televízory využívajú ako zdroj svetla kvantové body – ide o kryštály veľké len niekoľko nanometrov. V tomto prípade nie je potrebná vrstva so svetelnými filtrami, pretože keď je na ne privedené napätie, kryštály vždy vyžarujú svetlo s jasne definovanou vlnovou dĺžkou, a teda aj farebnou hodnotou. Tento efekt sa dosahuje malou veľkosťou kvantovej bodky, v ktorej sa elektrón, podobne ako v atóme, môže pohybovať len v obmedzenom priestore. Rovnako ako v atóme, elektrón kvantovej bodky môže zaberať iba prísne definované energetické úrovne. Vzhľadom na skutočnosť, že tieto úrovne energie závisia aj od materiálu, je možné špecificky vyladiť optické vlastnosti kvantových bodov. Napríklad na získanie červenej farby sa používajú kryštály zo zliatiny kadmia, zinku a selénu (CdZnSe), ktorých veľkosť je asi 10-12 nm. Zliatina kadmia a selénu vhodná pre žlté, zelené a modré farby posledne menované je možné získať aj použitím nanokryštálov zo zlúčeniny zinku a síry s veľkosťou 2-3 nm.

Hromadná výroba modrých kryštálov je veľmi náročná a nákladná, takže televízor predstavený Sony v roku 2013 nie je „plnokrvným“ QLED televízorom založeným na kvantových bodkách. Na zadnej strane ich displejov je vrstva modrých LED diód, ktorých svetlo prechádza vrstvou červených a zelených nanokryštálov. Vďaka tomu v podstate nahrádzajú v súčasnosti bežné svetelné filtre. Vďaka tomu sa farebný gamut zväčší o 50 % v porovnaní s bežnými LCD televízormi, no nedosahuje úroveň „čistej“ QLED obrazovky. Tie majú okrem širšieho farebného gamutu ešte jednu výhodu: šetria energiu, keďže nie je potrebná vrstva so svetelnými filtrami. Vďaka tomu sa na prednú časť obrazovky pri QLED televízoroch dostáva aj viac svetla ako pri bežných televízoroch, ktoré prepúšťajú len asi 5 % svetelného toku.

Vedci vyvinuli teóriu na vytvorenie rozšírenej triedy kvantových bodiek, ktoré sa získavajú zo zlúčenín obsahujúcich kadmium a selén. Vývoj v tejto oblasti sa už 30 rokov spoliehal na pokusy a omyly. Článok bol publikovaný v časopise Nature Communications.

Kvantové bodky sú nano-veľké kryštalické polovodiče s pozoruhodnými optickými a elektronickými vlastnosťami, ktoré už našli uplatnenie v mnohých oblastiach výskumu a technológie. Majú vlastnosti medzi objemovými polovodičmi a jednotlivými molekulami. V procese syntézy týchto nanočastíc však zostávajú nejasné aspekty, pretože vedci neboli schopní úplne pochopiť, ako reagencie, z ktorých niektoré sú vysoko toxické, interagujú.

Todd Krauss a Lee Frenette z University of Rochester sa to snažia zmeniť. Zistili najmä, že počas syntéznej reakcie sa objavujú toxické zlúčeniny, ktoré boli použité na získanie prvých kvantových bodiek pred 30 rokmi. „S naším objavom sme sa v podstate vrátili späť do budúcnosti,“ vysvetľuje Krauss. „Ukázalo sa, že bezpečnejšie činidlá, ktoré sa dnes používajú, sa menia práve na tie látky, ktorých použitiu sa už desaťročia snažia vyhnúť. Tie zase reagujú a vytvárajú kvantové bodky.“

Po prvé, zníži dohady spojené s výrobou kvantových bodiek na báze kadmia alebo selénu, čo viedlo k nezrovnalostiam a nereprodukovateľnosti, ktoré brzdili hľadanie priemyselných aplikácií.
Po druhé, upozorní výskumníkov a spoločnosti pracujúce s kvantovou bodkovou syntézou vo veľkých objemoch, že sa stále zaoberajú takýmito nebezpečné látky ako selenovodík a alkyl-kadmiové komplexy, aj keď nie explicitne.
Po tretie, objasní to Chemické vlastnosti fosfíny používané v mnohých procesoch vysokoteplotnej syntézy kvantových bodiek.

Zdroje: