Применение квантовых точек. Конструкции квантовых точек. Более высокая пиковая яркость

Доброе время суток, Хабражители! Я думаю многие заметили, что все чаще и чаще стала появляться реклама о дисплеях основанных на технологии квантовых точек, так называемые QD – LED (QLED) дисплеи и несмотря на то, что на данный момент это всего лишь маркетинг. Аналогично LED TV и Retina это технология создания дисплеев LCD, использующая в качестве подсветки светодиоды на основе квантовых точек.

Ваш покорный слуга решил все же разобраться что такое квантовые точки и с чем их едят.

Вместо введения

Квантовая точка - фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах. Квантовые точки были впервые синтезированы в начале 1980-х годов Алексеем Екимовым в стеклянной матрице и Луи Е. Брусом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом.

Энергетический спектр квантовой точки дискретен, а расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависит от размера самой квантовой точки как - h/(2md^2), где:

1. h - приведённая постоянная Планка;
2. d - характерный размер точки;
3. m - эффективная масса электрона на точке

Если же говорить простым языком то квантовая точка - это полупроводник, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы.

Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон; так как можно регулировать размер квантовой точки, то можно и изменять энергию испускаемого фотона, а значит, изменять цвет испускаемого квантовой точкой света.

Типы квантовых точек

Различают два типа:

• эпитаксиальные квантовые точки;
• коллоидные квантовые точки.

По сути они названы так по методам их получения. Подробно говорить о них не буду в силу большого количества химических терминов (гугл в помощь) . Добавлю только, что при помощи коллоидного синтеза можно получать нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул. Таким образом, они растворимы в органических растворителях, после модификации - также в полярных растворителях.

Конструкция квантовых точек

Обычно квантовой точкой является кристалл полупроводника, в котором реализуются квантовые эффекты. Электрон в таком кристалле чувствует себя как в трех мерной потенциальной яме и имеет много стационарных уровней энергии. Соответственно при переходе с одного уровня на другой квантовой точкой может излучать фотон. При всем при этом переходами легко управлять меняя размеры кристалла. Возможно также перекинуть электрон на высокий энергетический уровень и получать излучение от перехода между более низколежащими уровнями и как следствия получаем люминесценцию. Собственно, именно наблюдение данного явления и послужило первым наблюдением квантовых точек.

Теперь о дисплеях

История полноценных дисплеев началась в феврале 2011 года, когда Samsung Electronics представили разработки полноцветного дисплея на основе квантовых точек QLED. Это был 4-х дюймовый дисплей управляемый активной матрицей, т.е. каждый цветной пиксель с квантовой точкой может включаться и выключаться тонкоплёночным транзистором.

Для создания прототипа на кремневую плату наносят слой раствора квантовых точек и напыляется растворитель. После чего в слой квантовых точек запрессовывается резиновый штамп с гребенчатой поверхностью, отделяется и штампуется на стекло или гибкий пластик. Так осуществляется нанесение полосок квантовых точек на подложку. В цветных дисплеях каждый пиксель содержит красный, зелёный или синий субпиксель. Соответственно эти цвета используются с разной интенсивностью для получения как можно большего количества оттенков.

Следующим шагом в развитии стала публикация статьи ученными из Индийского Института Науки в Бангалоре. Где было описаны квантовые точки которые люминесцируют не только оранжевым цветом, но и в диапазоне от темно-зеленого до красного.

Чем ЖК хуже?

Основное отличие QLED-дисплея от ЖК состоит в том, что вторые способны охватить только 20-30% цветового диапазона. Так же в телевизорах QLED отпадает необходимость в использовании слоя с светофильтрами, так как кристаллы при подаче на них напряжения излучают свет всегда с четко определенной длиной волны и как результат с одинаковым цветовым значением.

Так же были новости о продаже компьютерного дисплея на квантовых точках в Китае. К сожалению, воочию проверить, в отличии от телевизора мне еще не довелось.

P.S. Стоит отметь что область применения квантовых точек не ограничивается только LED - мониторами, помимо всего прочего они могут применяться, в полевых транзисторах, фотоэлементах, лазерных диодах, так же проходят исследование возможности применение их в медицине и квантовых вычислениях.

P.P.S. Если же говорить о моем личном мнении, то я считаю, что ближайший десяток лет популярностью пользоваться они не будут, не из-за того, что мало известны, а потому, как цены на данные дисплеи заоблачные, но все же хочется надеяться, что квантовые точки найдут свое применение и в медицине, и буду использоваться не только для увеличения прибыли, но и в благих целях.

Квантовые точки - это небольшие кристаллы, излучающие свет с точно регулируемым цветовым значением. Они существенно повышают качество изображения, не влияя при этом на конечную стоимость устройств.

Quantum dot LED — новая технология экранов Обычные ЖК-телевизоры способны передавать лишь 20–30% цветового диапазона, воспринимаемого человеческим глазом. Изображение на OLED-экране больше соответствует реальности, однако данная технология не подходит для массового производства крупных дисплеев. Но недавно на ее место пришла новая, обеспечивающая возможность отображения точных цветовых значений. Речь идет о так называемых квантовых точках. В начале 2013 года компания Sony представила первый телевизор на основе квантовых точек (Quantum dot LED, QLED). В этом году в серийное производство будут запущены другие модели устройств, при этом стоить они будут как обычные ЖК-телевизоры и значительно меньше, чем OLED-решения. Чем же отличаются дисплеи, произведенные по новой технологии, от стандартных ЖК-экранов?

В ЖК-телевизорах нет чистых цветов

Жидкокристаллические дисплеи состоят из пяти слоев: исходной точкой является белый свет, излучаемый светодиодами и проходящий через несколько фильтров. Поляризационные фильтры, расположенные спереди и сзади, в сочетании с жидкими кристаллами регулируют проходящий световой поток, понижая или повышая яркость. Это возможно благодаря транзисторам пикселей, которые влияют на то, сколько света пройдет через светофильтры (красный, зеленый, синий). Сочетание цветов этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, в итоге дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов не вызывает проблем, но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий невозможно. Причина здесь кроется в фильтрах, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый пучок различных по длине волн. Например, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.

Светодиод светится при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. Поэтому и излученные фотоны имеют различную энергию, что выражается в разной длине волн излучения.

Квантовые точки - стабильный свет

В дисплеях QLED в качестве источника света выступают квантовые точки - кристаллы размером несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением - энергетическая зона уменьшается до одного энергетического уровня. Данный эффект объясняется крохотными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве. Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. Например, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно получить также при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.

В связи с тем обстоятельством, что массовое производство синих кристаллов сопряжено с большими сложностями и затратами, представленный компанией Sony телевизор не является «чистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых QD Vision дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока.

Квантовые точки в HD-телевизора

Наши глаза способны видеть больше цветов, чем могут отобразить HD-телевизоры. Изменить данную ситуацию могут дисплеи на основе квантовых точек. Квантовые точки - это крохотные частицы диаметром несколько нанометров, которые излучают свет с одной определенной длиной волны и всегда с одним и тем же цветовым значением. Если же говорить о светофильтрах, используемых в современных телевизорах, то они обеспечивают лишь размытые цвета.

Экраны без светофильтров

В современных телевизорах белый свет светодиодных ламп (подсветка) становится цветным благодаря светофильтрам. В дисплее на основе квантовых точек (QLED) цвет формируется непосредственно в источнике излучения. Системы регулировки яркости посредством жидких кристаллов и поляризации изменений не претерпели.

Световые ячейки в сравнении

В светодиодах электроны переходят из материала N-типа в материал P-типа, отдавая при этом энергию в виде белого света с различными длинами волн. Фильтр формирует нужный цвет. В телевизорах QLED нанокристаллы излучают свет с определенной длиной волны, а значит, и цветом.

Более широкий цветовой охват

Дисплеи на квантовых точках способны отображать более естественные цвета (красный, зеленый, синий), чем традиционные телевизоры, покрывая более широкий цветовой диапазон, который наиболее близок к нашему цветовому восприятию.

Размер и материал определяют цвет

Когда электрон (e) соединяется с квантовой точкой, освобождается энергия в виде фотонов (P). Используя различные материалы и изменяя размер нанокристаллов, можно влиять на величину этой энергии и, как следствие, длину световой волны.

Для того чтобы получить общее представление о свойствах материальных предметов и законах, в соответствии с которыми «живет» привычный каждому макромир, вовсе не обязательно заканчивать высшее учебное заведение, ведь ежедневно каждый сталкивается с их проявлениями. Хотя в последнее время все чаще упоминается принцип подобия, сторонники которого утверждают, что микро и макромир весьма схожи, тем не менее, разница, все же, есть. Особенно это заметно при очень незначительных размерах тел и объектов. Квантовые точки, иногда называемые наноточками, как раз представляют собой один из этих случаев.

Меньше меньшего

Давайте вспомним классическое устройство атома, например, водорода. Он включает в себя ядро, которое благодаря присутствию в нем положительно заряженного протона обладает плюсовым то есть +1 (так как водород - первый элемент в таблице Менделеева). Соответственно, на определенном расстоянии от ядра находится электрон (-1), формируя электронную оболочку. Очевидно, что если увеличить значение то это повлечет за собой присоединение новых электронов (напомним: в целом атом электрически нейтрален).

Расстояние между каждым электроном и ядром определяется уровнями энергии отрицательно заряженных частиц. Каждая орбита является постоянной, суммарная конфигурация частиц определяет материал. Электроны могут перескакивать с одной орбиты на другую, поглощая или выделяя энергию посредством фотонов той или иной частоты. На наиболее удаленных орбитах находятся электроны с максимальным уровнем энергии. Что интересно, сам фотон проявляет двойственную природу, определяясь одновременно как безмассовая частица и электромагнитное излучение.

Само слово «фотон» греческого происхождения, оно означает «частица света». Следовательно, можно утверждать, что при смене электроном своей орбиты, он поглощает (выделяет) квант света. В данном случае уместно объяснить смысл другого слова - «квант». На самом деле ничего сложного нет. Слово произошло от латинского «quantum», что дословно переводится как наименьшее значение любой физической величины (здесь - излучения). Поясним на примере, что такое квант: если бы при измерении веса наименьшей неделимой величиной являлся миллиграмм, то его можно было бы так назвать. Вот так просто объясняется, казалось бы, сложный термин.

Квантовые точки: разъяснение

Часто в учебниках можно встретить следующее определение для наноточки - это чрезвычайно маленькая частица какого-либо материала, размеры которой сопоставимы с величиной излучаемой длины волны электрона (полный спектр охватывает предел от 1 до 10 нанометров). Внутри нее значение единичного носителя отрицательного заряда меньше, чем вне, поэтому электрон ограничен в перемещениях.

Однако термин «квантовые точки» может быть объяснен иначе. Электрон, поглотивший фотон, «поднимается» на более высокую энергетическую ступень, а на его месте образуется «недостача» - так называемая дырка. Соответственно, если электрон обладает -1 зарядом, то дырка +1. Стремясь вернуться к прежнему устойчивому состоянию, электрон испускает фотон. Связь носителей зарядов «-» и «+» в данном случае носит название экситон и в физике понимается как частица. Ее размер зависит от уровня поглощенной энергии (более высокой орбиты). Квантовые точки как раз и являются этими частицами. Частота излучаемой электроном энергии непосредственно зависит от размера частицы данного материала и экситона. Стоит отметить, что в основе цветового восприятия света человеческим глазом лежит различная

«Нанотехнологии» - слово со сложной историей и контекстом в русском языке, к сожалению, слегка дискредитированное. Однако если отвлечься от ироничного общественно-экономического подтекста, то можно констатировать, что нанотехнологии за последние годы из научно-теоретического концепта стали обретать формы, которые в обозримом будущем могут стать реальными коммерческими продуктами и войти в нашу жизнь.

Отличный пример тому – квантовые точки. Технологии с использованием наночастиц полупроводников постепенно находят себе применения в совершенно различных областях: медицина, полиграфия, фотовольтаика, электроника – некоторые из продуктов еще существуют на уровне прототипов, где-то технология реализована частично, а какие-то уже практически используются.

Так что такое «квантовая точка» и «с чем ее едят»?

Квантовая точка – это нанокристал неорганического полупроводникового материала (кремния, фосфида индия, селенида кадмия). «Нано» - значит измеряющийся в миллиардных долях, размеры таких кристаллов варьируются в пределах от 2 до 10 нанометров. Из-за такого малого размера электроны в наночастицах ведут себя совсем не так как в объемных полупроводниках.

Энергетический спектр квантовой точки неоднороден, в нем есть отдельные уровни энергии для электрона (отрицательно заряженной частицы) и дырки. Дыркой в полупроводниках называется незаполненная валентная связь, носитель положительного заряда численно равному электрону, она появляется, когда связь между ядром и электроном разрывается.

Если создаются условия, при которых носитель заряда в кристалле переходит с уровня на уровень, то при этом переходе излучается фотон. Изменяя размер частицы можно управлять частотой поглощения и длиной волны этого излучения. Практически же это значит, что в зависимости от размера частицы точки при облучении они будут светиться разным цветом.

Возможность контролировать длину волны излучения через размер частицы позволяет получать из квантовых точек устойчивые вещества, превращающие поглощаемую ими энергию в световое излучение – фотостабильные люминофоры.

Растворы на основе квантовых точек превосходят традиционные органические и неорганические люминофоры по ряду параметров, важных для тех областей практического применения, в которых необходима точная перенастраиваемая люминесценция.

Преимущества квантовых точек:

• Фотостабильны, сохраняют флуоресцентные свойства в течение нескольких лет.
• Высокая стойкость к фотовыцветанию: в 100 – 1000 раз выше, чем у органических флуорофоров.
• Высоких квантовый выход флуоресценции – до 90%.
• Широкий спектр возбуждения: от УФ до ИК (400 – 200 нм).
• Высокая чистота цвета из-за высоких пиков флуоресценции (25-40 нм).
• Высокая устойчивость к химической деградации.

Еще одним преимуществом, в особенности для полиграфии, является то, что на основе квантовых точек можно делать золи – высокодисперсные коллоидные системы с жидкой средой, в которой распределены мелкие частицы. А значит из них можно производить растворы, пригодные для струйной печати.

Области применения квантовых точек:

Защита документов и изделий от фальсификации: ценных бумаг, банкнот, удостоверений личности, штампов, печатей, сертификатов, свидетельств, пластиковых карт, товарных знаков. Система многоцветного кодирования на основе квантовых точек может быть коммерчески востребована для цветовой маркировки продукции в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, ювелирных изделий, произведений искусства.

Благодаря тому, что жидкая основа может быть водной или уф-отверждаемой, при помощи чернил с квантовыми точками можно маркировать практически любые объекты – для бумажных и других впитывающих основ - чернила на водной основе, а для невпитывающих (стекло, дерево, металл, синтетические полимеры, композиты) – уф-чернила.

Маркер в медицинских и биологических исследованиях. Благодаря тому, что на поверхность квантовых точек можно нанести биологические маркеры, фрагменты ДНК и РНК, реагирующие на определенный тип клеток, их можно использовать в качестве контраста в биологических исследованиях и диагностике рака на ранних стадиях, когда опухоль еще не определяется стандартными методами диагностики.

Использование квантовых точек в качестве флуоресцентных меток для изучения опухолевых клеток invitro– одна из наиболее перспективных и быстро развивающихся сфер применения квантовых точек в биомедицине.

Массовому внедрению этой технологии препятствует только лишь вопрос о безопасности применения контрастов с квантовыми точками в исследованиях invivo, так как большая часть из них производится из очень токсичных материалов, а размеры настолько малы, что они с легкостью проникают через любые барьеры организма.

Дисплеи на квантовых точках: QLED – технология создания дисплеев LCDсо светодиодной подсветкой на квантовых точках уже опробована передовыми производителями электроники. Применение этой технологии позволяет сократить энергопотребление дисплея, увеличить световой поток по сравнению с LED экранами на 25-30%, более сочные цвета, четкая цветопередача, глубина цвета, возможность делать экраны сверхтонкими и гибкими.

Прототип первого дисплея, по этой технологии был представлен компанией Samsungв феврале 2011, а первый компьютерный дисплей выпустила компания Philips.

В нем квантовые точки использованы для получения красного и зеленого цветов из спектра излучения синих светодиодов, что обеспечило близкую к естественной цветопередачу. В 2013 году компания Sony выпустила QLED экран, работающий по такому же принципу. В текущий момент эта технология производства больших экранов не имеет широкого применения из-за высокой себестоимости производства.

Лазер на квантовых точках. Лазер, рабочей средой которого являются квантовые точки в излучающей области, имеет ряд преимуществ в сравнении с традиционными полупроводниковыми лазерами на основе квантовых ям. У них лучше характеристики по полосе частот, интенсивности шума, они менее чувствительны к изменениям температуры.

Благодаря тому, что изменение состава и размера квантовой точки позволяет управлять активной средой такого лазера, стала возможна работа на длинах волн, которые раньше были недоступны. Эта технология активно применяется на практике в медицине, с ее помощью был создан лазерный скальпель.

Энергетика

На основе квантовых точек также разработаны несколько моделей тонкопленочных солнечных батарей. В их основе лежит следующий принцип действия: фотоны света попадают на фотоэлектрический материал, содержащий квантовые точки, стимулируют появление пары электрона и дырки, энергия которых равна или превосходит минимальную энергию, необходимую электрону данного полупроводника для того, чтобы перейти из связанного состояния в свободное. Изменяя размеры нанокристаллов материала можно варьировать «энергетическую производительность» фотоэлектрического материала.

На основе этого принципа уже создано несколько оригинальных работающих прототипов различных видов солнечных батарей.

В 2011 г. исследователи из университета Нотр-Дама предложили «солнечную краску» на основе диоксида титана, нанесение которой может превратить любой объект в солнечную батарею. У нее довольно низкое КПД (всего 1%), но зато она дешева в производстве и может производиться в больших объемах.

В 2014 г. Ученые из Массачусетского технологического института представили метод изготовления солнечных элементов из ультратонких слоёв квантовых точек, КПД их разработки – 9%, а главное ноу-хау заключается в технологии объединения квантовых точек в пленку.

В 2015 г. Лаборатория Центра передовых технологий солнечной фотовольтаики в Лос-Аламосе предложила свой проект окон-солнечных батарей с КПД 3,2%, состоящих из прозрачного люминесцентного квантового концентратора, который может занимать достаточно большую площадь, и компактных солнечных фотоэлементов.

А вот исследователи из американской национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в поисках оптимального сочетания металлов для производства ячейки с максимальной квантовой эффективностью создали настоящего рекордсмена производительности – внутренняя и внешняя квантовая эффективность их батареи на тестах составила 114% и 130% соответственно.

Эти параметры не являются КПД батареи, которая сейчас показывает сравнительно небольшой процент – всего 4,5%, однако оптимизация сбора фотопотока и не являлась ключевой целью исследования, которая заключалась только в подборе наиболее эффективного сочетания элементов. Тем не менее стоит отметить, что до эксперимента NREL ни одна батарея не показывала квантовую эффективность выше 100%.

Как видим потенциально сферы практического применения квантовых точек широки и разнообразны, теоретические разработки ведутся сразу в нескольких направлениях. Массовому внедрению их в различных сферах препятствует ряд ограничений: дороговизна производства самих точек, их токсичность, несовершенство и экономическая нецелесообразность самой технологии производства.

В самом ближайшем будущем массовое распространение может получить система цветового кодирования и маркировки чернилами на основе квантовых точек. Понимая, что эта рыночная ниша пока не занята, но является перспективной и наукоемкой, компания IQDEMY в качестве одной из научно-исследовательских задач своей химической лаборатории (Новосибирск) определила разработку оптимальной рецептуры уф-отверждаемых чернил и чернил на водной основе, содержащие квантовые точки.

Первые полученные образцы печати впечатляют и открывают дальнейшие перспективы практического освоения этой технологии:

0

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине "Биомедицинские преобразователи и сенсорные системы"

Квантовые точки и биосенсоры на их основе

Введение. 3

Квантовые точки. Общие сведения. 5

Классификация квантовых точек. 6

Фотолюминесцирующие квантовые точки. 9

Получение квантовых точек. 11

Биосенсоры с использованием квантовых точек. Перспективы их применения в клинической диагностике. 13

Заключение. 15

Список используемой литературы. 16

Введение.

Квантовые точки (КТ) - это изолированные нанообъекты, свойства которых существенно отличаются от свойств объемного материала такого же состава. Сразу следует отметить, что квантовые точки являются скорее математической моделью, нежели реальными объектами. И связано это с невозможностью формирования полностьюобособленных структур - малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице.

Чтобы разобраться в том, что такое квантовые точки, и понять их электронное строение, представьте себе древнегреческий амфитеатр. Теперь вообразите, что на сцене разворачивается увлекательное представление, а зрительские ряды наполнены публикой, пришедшей посмотреть игру актеров. Так вот оказывается, что поведение людей в театре во многом похоже на поведение электронов квантовой точки (КТ). Во время представления актеры передвигаются по арене, не выходя в зрительский зал, а сами зрители следят за действием со своих мест и не спускаются на сцену. Арена - это нижние заполненные уровни квантовой точки, а зрительские ряды - возбужденные электронные уровни, обладающие более высокой энергией. При этом как зритель может находиться в любом ряду зала, так и электрон способен занять любой энергетический уровень квантовой точки, но не может располагаться между ними. Покупая в кассах билеты на представление, все стремились получить самые лучшие места - как можно ближе к сцене. Действительно, ну кто же захочет сидеть в последнем ряду, откуда лицо актера не рассмотришь даже в бинокль! Поэтому, когда перед началом представления зрители рассаживаются, все нижние ряды зала оказываются заполнены, также как в стационарном состоянии КТ, обладающем наименьшей энергией, нижние энергетические уровни полностью заняты электронами. Однако во время представления кто-то из зрителей может покинуть свое место, например, потому что музыка на сцене слишком громко играет или просто сосед неприятный попался, и пересесть на свободный верхний ряд. Вот так и в КТ электрон под действием внешнего воздействия вынужден переходить на более высокий, не занятый другими электронами энергетический уровень, приводя к образованию возбужденного состояния квантовой точки. Наверное, Вам интересно, что при этом происходит с тем пустым местом на энергетическом уровне, где раньше был электрон - так называемой дыркой? Оказывается, посредством зарядовых взаимодействий электрон остается с ней связан и в любой момент может перейти обратно, также как пересевший зритель всегда может передумать и вернуться на обозначенное в его билете место. Пару “электрон-дырка” называют «экситоном» от английского слова “excited”, что означает “возбужденный”. Миграция между энергетическими уровнями КТ, аналогично подъему или спуску одного из зрителей, сопровождается изменением энергии электрона, что соответствует поглощению или излучению кванта света (фотона) при переходе электрона соответственно на более высокий или низкий уровень. Описанное выше поведение электронов в квантовой точке приводит к нехарактерному для макрообъектов дискретному энергетическому спектру, за который КТ часто называют искусственными атомами, в которых уровни электрона дискретны.

Сила (энергия) связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. Если размер частицы меньше радиуса экситона, то экситон оказывается ограничен в пространстве ее размерами, а соответствующая энергия связи значительно изменяется по сравнению с объемным веществом (см. «квантоворазмерный эффект»). Не трудно догадаться, что если энергия экситона изменяется, то изменяется и энергия фотона, излучаемого системой при переходе возбужденного электрона на свое исходное место. Таким образом, получая монодисперсные коллоидные растворы наночастиц различных размеров, можно управлять энергиями переходов в широком диапазоне оптического спектра.

Квантовые точки. Общие сведения.

Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синтезировали еще в древнем Египте для окрашивания различных стекол (кстати, рубиновые звезды Кремля получены по близкой технологии), хотя более традиционными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупроводниковые частицы GaN и коллоидные растворы наноокристаллов CdSe. В настоящий момент известно множество способов получения квантовых точек, например, их можно «вырезать» из тонких слоев полупроводниковых «гетероструктур» с помощью «нанолитографии», а можно спонтанно сформировать в виде наноразмерных включений структур полупроводникового материала одного типа в матрице другого. Методом «молекулярно-пучковой эпитаксии» при существенном отличии параметров элементарной ячейки подложки и напыляемого слоя можно добиться роста на подложке пирамидальных квантовых точек, за исследование свойств которых академику Ж.И.Алферову была присуждена Нобелевская премия. Контролируя условия процессов синтеза, теоретически можно получать квантовые точки определенных размеров с заданными свойствами.

Квантовые точки доступны как в виде ядер, так и в виде гетероструктур типа ядро-оболочка. Из-за малого размера КТ обладают свойствами, отличными от объемных полупроводников. Пространственное ограничение движения носителей заряда приводит к квантово-размерному эффекту, выражающемуся в дискретной структуре электронных уровней, из-за чего КТ иногда называют «искусственными атомами».

В зависимости от размера и химического состава квантовые точки обладают фотолюминесценцией в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Благодаря высокой однородности по размерам (более 95%) предлагаемые нанокристаллы обладают узкими спектрами испускания (полуширина пика флуоресценции 20-30 нм), что обеспечивает феноменальную чистоту цвета.

Квантовые точки могут поставляться в виде растворов в неполярных органических растворителях, таких как гексан, толуол, хлороформ, или в виде сухих порошков.

КТ до сих пор являются «молодым» объектом исследования, но уже вполне очевидны широкие перспективы их использования для дизайна лазеров и дисплеев нового поколения. Оптические свойства КТ используются в самых неожиданных областях науки, в которых требуется перестраиваемые люминесцентные свойства материала, например, в медицинских исследованиях с их помощью оказывается возможным “подсветить” больные ткани.

Классификация квантовых точек.

Коллоидный синтез квантовых точек представляет широкие возможности как в получении квантовых точек на основе различных полупроводниковых материалов, так и квантовых точек с различной геометрией (формой). Немаловажным является возможность синтеза квантовых точек, составленных из разных полупроводников. Коллоидные квантовые точки будут характеризоваться составом, размером, формой.

1. Состав квантовых точек (материал полупроводника)

В первую очередь квантовые точки представляют практический интерес как люминесцентные материалы. Основными требованиями, предъявляемыми к полупроводниковым материалам, на основе которых синтезируются квантовые точки, являются следующие. В первую очередь это прямозонный характер зонного спектра - обеспечивает эффективную люминесценцию, во вторых малая эффективная масса носителей заряда - проявление квантово-размерных эффектов в достаточно широком диапазоне размеров (конечно по меркам нанокристаллов). Можно выделить следующие классы полупроводниковых материалов. Широкозонные полупроводники (оксиды ZnO, TiO2) - ультрафиолетовый диапазон. Среднезонные полупроводники (А2В6, например халькогениды кадмия, А3В5) -видимый диапазон.

Диапазоны изменения эффективной ширины запрещенной зоны квантовых точек при

изменении размера от3 до 10 нм.

На рисунке показана возможность варьирования эффективной ширины запрещенной зоны для наиболее распространенных полупроводниковых материалов в виде нанокристаллов с размером в пределах 3-10 нм. С практической точки зрения важные оптические диапазоны - видимый 400-750 нм, ближний ИК 800-900 нм - окно прозрачности крови, 1300-1550 нм -телекоммуникационный диапазон

1. Форма квантовых точек

Кроме состава и размера серьезное влияние на свойства квантовых точек будет оказывать их форма.

- Сферические (непосредственно quantum dots) - большая часть квантовых точек. На настоящий момент имеют наибольшее практической применение. Наиболее просты в изготовлении.

- Элипсоидальные (nanorods) - нанокристаллы, вытянутые вдоль одного направления.

Коэффициент элиптичности 2-10. Указанные границы условны. С практической точки зрения данный класс квантовых точек имеет применение как источники поляризованного излучения. При больших коэффициентах элиптичности >50 данный тип нанокристаллов часто называют нитями (nanowires).

- Нанокристаллы со сложной геометрией (например, tetrapods). Может быть синтезировано достаточное разнообразие форм - кубические, звездочки и др., а также разветвленных структур. С практической точки зрения tetrapods могут найти применение как молекулярные переключатели. На настоящий момент представляют в большой степени академический интерес.

1. Многокомпонентные квантовые точки

Методы коллоидной химии позволяют синтезировать многокомпонентные квантовые точки из полупроводников с различными характеристиками, в первую очередь с различной шириной запрещенной зоны. Данная классификация во многом аналогична традиционно используемой в полупроводниках.

Легированные квантовые точки

Как правило, количество ввденной примеси мало (1-10 атомов на квантовую точку при среднем количестве атомов в квантовой точке 300-1000). Электронная структура квантовой точки при этом не изменяется, взаимодействие между атомом примеси и возбужденным состоянием квантовой точки носит дипольный характер и сводится к передаче возбуждения. Основные легирующие примеси- марганец, медь (люминесценция в видимом диапазоне).

Квантовые точки на основе твердых растворов.

Для квантовых точек возможно образование твердых растворов полупроводников, если наблюдается взаимная растворимость материалов в объемном состоянии. Как и в случае объемных полупроводников, образование твердых растворов приводит к модификации энергетического спектра - эффективные характеристики являются суперпозицией значений для индивидуальных полупроводников. Данный подход позволяет изменять эффективную ширину запрещенной зоны при фиксированном размере - дает еще один способ управления характеристиками квантовых точек.

Квантовые точки на основе гетеропереходов.

Данный подход реализуется в квантовых точках типа ядро-оболочка (ядро из одного полупроводника, оболочка из другого). В общем случае предполагает образование контакта двух частей из разных полупроводников. По аналогии с классической теорией гетеропереходов можно выделить 2 типа квантовых точек ядро-оболочка.

Фотолюминесцирующие квантовые точки.

Особый интерес представляют фотолюминесцирующие квантовые точки, в которых поглощение фотона рождает электрон-дырочные пары, а рекомбинация электронов и дырок вызывает флуоресценцию. Такие квантовые точки обладают узким и симметричным пиком флуоресценции, положение которого определяется их размером. Так, в зависимости от размера и состава, КТ могут иметь флуоресценцию в УФ, видимой или ИК-области спектра.

Квантовые точки на основе халькогенидов кадмия в зависимости от своего размера флуоресцируют разными цветами

Например, квантовые точки ZnS , CdS и ZnSe флуоресцируют в УФ - области, CdSe и CdTe в видимой, а PbS, PbSe и PbTe в ближней ИК - области (700-3000 нм). Кроме того, из вышеперечисленных соединений можно создавать гетероструктуры, оптические свойства которых могут отличаться от таковых у исходных соединений. Наиболее популярным является наращивание оболочки более широкозонного полупроводника на ядро из узкозонного, например, на ядро CdSe наращивают оболочку из ZnS :

Модель структуры квантовой точки, состоящей из ядра CdSe, покрытого эпитаксиальной оболочкой из ZnS (структурный тип сфалерита)

Такой прием позволяет существенно повысить устойчивость КТ к окислению, а также в разы увеличить квантовый выход флуоресценции за счет снижения количества дефектов на поверхности ядра. Отличительным свойством КТ является непрерывный спектр поглощения (возбуждения флуоресценции) в широком диапазоне длин волн, который также зависит от размера КТ. Это дает возможность одновременно возбуждать разные квантовые точки при одной длине волны. Кроме того, КТ обладают более высокой яркостью и лучшей фотостабильностью по сравнению с традиционными флуорофорами.

Такие уникальные оптические свойства квантовых точек открывают широкие перспективы для их применения в качестве оптических сенсоров, флуоресцирующих маркеров, фотосенсибилизаторов в медицине, а также для изготовления фотодетекторов в ИК - области, солнечных батарей высокой эффективности, сверхминиатюрных светодиодов, источников белого света, одноэлектронных транзисторов и нелинейно-оптических устройств.

Получение квантовых точек

Существует два основных метода получения квантовых точек: коллоидный синтез, проводимый путем смешивания предшественников «в колбе», и эпитаксия, т.е. ориентированный рост кристаллов на поверхности подложки.

Первый метод (коллоидный синтез) реализуется в нескольких вариантах: при высокой или комнатной температуре, в инертной атмосфере в среде органических растворителей или в водном растворе, с использованием или без металлоорганических предшественников, с использованием или без молекулярных кластеров, облегчающих зародышеобразование. Также используется высокотемпературный химический синтез, проводимый в инертной атмосфере путем нагревания неорганометаллических предшественников, растворенных в высококипящих органических растворителях. Это позволяет получать однородные по размеру квантовые точки с высоким квантовым выходом флуоресценции.

В результате коллоидного синтеза получаются нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул:

Схематическое изображение коллоидной квантовой точки типа ядро-оболочка с гидрофобной поверхностью. Оранжевым показано ядро из узкозонного полупроводника (например, CdSe), красным — оболочка из широкозонного полупроводника (например, ZnS), черным — органическая оболочка из поверхностно-активных молекул.

Благодаря гидрофобной органической оболочке коллоидные квантовые точки могут быть растворены в любых неполярных растворителях, а при соответствующей ее модификации — в воде и спиртах. Еще одним преимуществом коллоидного синтеза является возможность получения квантовых точек в субкилограммовых количествах.

Второй метод (эпитаксия) — формирование наноструктур на поверхности другого материала, как правило, сопряжен с использованием уникального и дорогостоящего оборудования и, кроме того, приводит к получению квантовых точек, «привязанных» к матрице. Метод эпитаксии трудно масштабируем на промышленный уровень, что делает его менее привлекательным для массового производства квантовых точек.

Биосенсоры с использованием квантовых точек. Перспективы их применения в клинической диагностике.

Квантовая точка - очень маленький физический объект, размер которого меньше радиуса экситона Бора, что приводит к возникновению квантовых эффектов, например, сильной флуоресценции.

Достоинством квантовых точек является то, что их можно возбудить одним источником излучения. В зависимости от своего диаметра они светят разным светом, причем одним источником возбуждаются квантовые точки всех цветов.

В Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН производят квантовые точки в форме коллоидных нанокристаллов, что позволяет использовать их в качестве флуоресцентных меток. Они очень яркие, даже в обычный микроскоп можно видеть отдельные нанокристаллы. Кроме того, они фотоустойчивы — способны долго светиться при воздействии на них излучения высокой плотности мощности.

Плюсом квантовых точек служит и то, что, в зависимости от материала, из которого они сделаны, можно получить флуоресценцию в инфракрасном диапазоне там, где биологические ткани наиболее прозрачны. При этом эффективность флуоресценции у них несравнима ни с какими иными флюорофорами, что позволяет их использовать для визуализации различных образований в биологических тканях.

На примере диагностики аутоиммунного заболевания — системного склероза (склеродерма) — была продемонстрирована возможность квантовых точек в клинической протеомике. Диагностика основана на регистрации аутоиммунных антител.

При аутоиммунных заболеваниях собственные белки организма начинают воздействовать на свои же биообъекты (на клеточные стенки и т.д.), что вызывает сильнейшую патологию. При этом в биологических жидкостях появляются аутоиммунные антитела, чем они и воспользовались, чтобы осуществить диагностику и обнаружить аутоантитела.

Существует ряд антител к склеродерме. Были продемонстрированы диагностические возможности квантовых точек на примере двух антител. На поверхность полимерных микросфер, содержащих квантовые точки заданного цвета, наносили антигены к аутоантителам (каждому антигену соответствовал свой цвет микросферы). Тестирующая смесь содержала, кроме микросфер, еще и вторичные антитела, связанные с сигнальным флуорофором. Далее, в смесь добавляли пробу, и, если она содержала искомое аутоантитело, в смеси формировался комплекс микросфера — аутоанитело — сигнальный флуорофор .

По существу, аутоантитело являлось линкером, связывающим микросферу определенного цвета с сигнальным флуорофором. Затем с помощью проточной цитометрии были проанализированы эти микросферы. Появление одновременного сигнала от микросферы и сигнального флуорофора является свидетельством того, что произошло связывание, и на поверхности микросферы образовался комплекс, включающий вторичные антитела с сигнальным флуорофором. В этот момент фактически светили кристаллы микросфер и сигнальный флуорофор, который был связан с вторичным антителом.

Одновременное появление того и другого сигнала показывает, что в смеси присутствует детектируемая мишень — аутоантитело, являющееся маркером заболевания. Это классический «сэндвичевый» метод регистрации, когда есть две распознающие молекулы, т.е. продемонстрирована возможность одновременного анализа нескольких маркеров, что является основой высокой достоверности диагностики и возможности создания препаратов, позволяющих определить заболевание на самой ранней стадии.

Использование в качестве биометок.

Создание флуоресцентных меток на основе квантовых точек является весьма перспективным. Можно выделить следующие преимущества квантовых точек перед органическими красителями: возможность контроля длины волны люминесценции, высокий коэффициент экстинкции, растворимость в широком диапазоне растворителей, стабильность люминесценции к действию окружающей среду, высокая фотостабильность. Также можно отметить возможность химической (или более того биологической) модификации поверхности квантовых точек, позволяющей осуществить селективное связывание с биологическими объектами. На правом рисунке показано окрашивание элементов клетки при помощи водорастворимых квантовых точек, люминесцирующих в видимом диапазоне. На левом рисунке представлен пример использования неразрушающего метода оптической томографии. Фотография полученна в ближнем ИК-диапазоне при использовании квантовых точек с люминесценцией в диапазоне 800-900 нм (окно прозрачности крови теплокровных), введенных в мышь.

Рис.21. Использование квантовых точек в качестве биометок.

Заключение.

В настоящее время медицинские приложения с использованием квантовых точек ещё ограничены, в силу того что недостаточно исследовано влияние наночастиц на здоровье человека. Однако применение их в диагностике опасных заболеваний представляется весьма перспективным, в частности, на их основе разработан метод иммунофлуоресцентного анализа. И при лечении онкологических заболеваний уже используется, например, метод так называемой фотодинамической терапии. Наночастицы вводят в опухоль, далее их облучают, а потом эта энергия переносится от них на кислород, который переходит в возбуждённое состояние и изнутри «выжигает» опухоль.

Биологи говорят, что легко спроектировать квантовые точки, дающие отклик на любой длине волны, например, в ближнем инфракрасном спектре. Тогда можно будет находить опухоли, скрытые глубоко внутри тела.

Кроме того, определённые наночастицы могут давать характерный отклик при магниторезонансной томографии.

Дальнейшие планы исследователей выглядят ещё заманчивее. Новые квантовые точки, соединённые с набором биомолекул, будут не только находить опухоль и индицировать её, но и поставлять точно на место новые поколения лекарств.

Возможно, что как раз это приложение нанотехнологии окажется самым близким к практической и массовой реализации из того, что мы видели в лабораториях в последние годы.

Другое направление — это оптоэлектроника и светодиоды нового типа - экономичные, миниатюрные, яркие. Здесь используются такие преимущества квантовых точек, как их высокая фотостабильность (что гарантирует продолжительное функционирование устройств, созданных на их основе) и способность обеспечить любой цвет (с точностью до одного-двух нанометров по шкале длин волн) и любую цветовую температуру (от 2 градусов Кельвина до 10 тысяч и выше). В перспективе на основе светодиодов можно делать дисплеи для мониторов — очень тонкие, гибкие, с высокой контрастностью изображения.

Список используемой литературы.

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

1. Тананаев П.Н., Дорофеев С.Г., Васильев Р.Б., Кузнецова Т.А.. Получение нанокристаллов CdSe, легированного медью // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 4. С. 393-398.
2. Олейников В.А., Суханова А.В., Набиев И.Р. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы

в биологии и медицине // Нано. - 2007. - С. 160 173.

1. Snee P.T., Somers R.C., Gautham N., Zimmer J.P., Bawendi M.G., Nocera D.G. A Ratiometric CdSe/ZnS Nanocrystal pH Sensor // J. Am. Chem. Soc.. - 2006. - V. 128. P. 13320 13321.
2. Кульбачинский В. А. Полупроводниковые квантовые точки // Соросовский образовательный жур-нал. - 2001. - Т. 7. - №4. - C. 98 - 104.

Cкачать:
У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.