Коллоидные квантовые точки. Коллоидные квантовые точки Коллоидные квантовые точки физика
производство
Квантовые точки с постепенно шагая излучение от фиолетового до темно-красного
Есть несколько способов подготовки квантовых точек, основные из которых с участием коллоидов.
Коллоидный синтез
- Сосредоточение в квантовых точках может также возникать из электростатических потенциалов (генерируемых внешними электродами, легирование, деформация или примеси).
- Дополнительный металл-оксид-полупроводник (КМОП) технологии могут быть использованы для изготовления кремниевых квантовых точек. Сверхмаленький (L = 20 нм, W = 20 нм) КМОП транзисторы ведут себя как одиночные электронные квантовые точки, когда работают при криогенной температуре в диапазоне от -269 ° C (4 ) до приблизительно -258 & deg ; С (15 ). Транзистор отображает кулоновской блокады в связи с прогрессивной зарядки электронов один за другим. Число электронов, удерживаемых в канале приводится в движение затворного напряжения, начиная от оккупации нулевых электронов, и он может быть установлен в 1 или много.
Вирусная сборка
23 января 2013 Dow заключила эксклюзивное лицензионное соглашение с британской Nanoco для использования их низкотемпературного метода молекулярного высева для навалочного производства кадмия квантовых точек для электронных дисплеев, а 24 сентября 2014 Dow приступил к работе на производственном объекте в Южной Корее, способном производить достаточное количество квантовых точек для «миллионов кадмия телевизоров и других устройств, таких как таблетки». Массовое производство должно начаться в середине 2015 года. 24 март 2015 Dow объявила соглашение о партнерстве с LG Electronics развивать использование Бескадмиевых квантовых точек в дисплеях.
Тяжелый металл-свободные квантовые точки
Во многих регионах мира сейчас существует ограничение или запрет на использовании тяжелых металлов во многих бытовых товарах, что означает, что большинство кадмия -квантовые точки являются непригодными для потребительских товаров приложений.
Для коммерческой жизнеспособности, диапазон ограничен, тяжелых металлов, свободных квантовых точек была разработана, показывающая яркие выбросы в видимой и ближней инфракрасной области спектра и имеют сходные оптические свойства тех квантовых точек CdSe. Среди этих систем InP / ZnS и CuInS / ZnS, например.
Настройка размера квантовых точек является привлекательным для многих потенциальных применений. Так, например, более крупные квантовые точки имеют больший спектральный сдвиг в сторону красного по сравнению с меньшими точками, и демонстрируют менее выраженные квантовые свойства. С другой стороны, мелкие частицы позволяют использовать более тонкие квантовые эффекты.
Одно из применений квантовых точек в биологии, как флуорофоры доноров в Форстере передаче энергии резонанса , где большой коэффициент экстинкции и спектральная чистота этих флуорофоров сделать их выше молекулярные флуорофоры Стоит также отметить, что широкое поглощение КТ позволяет избирательно возбуждение КТ доноров и минимальное возбуждение акцептора красителя в исследованиях FRET основе. Применимость модели FRET, которая предполагает, что квантовая точка может быть аппроксимирована в виде точечного диполя, недавно было показано,
Применение квантовых точек для опухоли ориентации при в естественных условиях используют два таргетинг схемы: активный и пассивный таргетинг таргетинг. В случае активного нацеливания, квантовые точки функционализированная опухоли-специфические участками связывания для селективного связывания с опухолевыми клетками. Пассивное нацеливание использует повышенную проницаемость и удержание опухолевых клеток для доставки квантовых точек зондов. Быстро растущие опухолевые клетки, как правило, имеют более мембраны, чем здоровые клетки, позволяя утечки мелких наночастиц в тело клетки. Кроме того, опухолевые клетки не имеют эффективную лимфатическую систему дренажа, что приводит к последующим наночастицам накоплению.
Квантовые точки зонды проявляют в естественных условиях токсичности. Например, CdSe нанокристаллы обладают высокой токсичностью для культивируемых клеток при ультрафиолетовом освещении, так как частицы растворяются, в процессе, известном как фотолиз , чтобы выделять токсичные ионы кадмия в культуральной среду. В отсутствие УФ - облучения, однако, квантовые точки с устойчивым полимерным покрытием было обнаружено, что, по существу нетоксичны. Гидрогель инкапсуляция квантовых точек позволяет квантовые точки, которые будут введена в стабильный водный раствор, снижая вероятность кадмия leakage.Then снова, только очень мало известно о процессе экскреции квантовых точек из живых организмов.
В другом потенциальном применении, квантовые точки исследуются в качестве неорганической флуорофоры для интраоперационного обнаружения опухолей с использованием флуоресцентной спектроскопии .
Поставка неповрежденных квантовых точек в цитоплазме клеток была проблема с существующими методами. Вектор на основе методы привели к агрегации и эндосомных секвестрациям квантовых точек в то время как электропорация может повредить полупроводниковые частицы и агрегатные доставлены точки в цитозоле. Через клетку выдавливания , квантовые точки могут эффективно использоваться, не вызывая агрегацию, пушной материал в эндосомах или значительные потери жизнеспособности клеток. Кроме того, он показал, что отдельные квантовые точки доставляемых этого подхода можно обнаружить в цитозоле клетки, таким образом, иллюстрирующий потенциал этой методики для исследований отслеживания одной молекулы.
Фотоэлектрические устройства
Перестраиваемый спектр поглощения и высокие коэффициенты поглощения квантовых точек делают их привлекательными для световых технологий уборки, таких как фотоэлементы. Квантовые точки могут быть в состоянии повысить эффективность и снизить стоимость сегодняшних типичных кремниевых фотоэлектрических элементов . Согласно экспериментальному доказательству от 2004, квантовых точки селенида свинца могут производить более одного экситон из одного фотона высокой энергии с помощью процесса умножения несущего или множественного экситонного поколения (МЭГ). Это выгодно отличается от современных фотогальванических элементов, которые могут управлять только один экситоном за высокую энергию фотона, с высокими кинетической энергией носители теряют свою энергию в виде тепла. Квантовая точка фотоэлектрические бы теоретически быть дешевле в производстве, так как они могут быть сделаны « с помощью простых химических реакций.»
Квантовая точка только солнечные батареи
Нанопровод с квантовыми покрытиями точки на кремниевых нанопроводах (SiNW) и углерод квантовых точек. Использование SiNWs вместо плоского кремния улучшает свойства antiflection из Si. SiNW демонстрирует улавливающий свет эффект за счет света захвата в SiNW. Это использование SiNWs в сочетании с углеродными квантовыми точками в результате солнечной батареи, которая достигла 9,10% PCE.
Квантовые точечные дисплеи
Квантовые точки оцениваются для дисплеев, поскольку они излучают свет в очень специфических гауссовых распределений . Это может привести к дисплею с заметно более точными цветами.
Полуклассическая
Квазиклассическая модели квантовых точек часто включает химический потенциал . Например, термодинамический химический потенциал N системы -частичной дается
μ (N) знак равно Е (N) - Е (N - 1) {\ Displaystyle \ му (N) = Е (Н) -E (N-1)}чьи термины энергии могут быть получены как решения уравнения Шредингера. Определение емкости,
1 С ≡ Δ В Δ Q {\ Displaystyle {1 \ над С} \ {эквив \ Delta \, В \ над \ Delta \, Q}} ,с разностью потенциалов
Δ В знак равно Δ μ е знак равно μ (N + Δ N) - μ (N) е {\ Displaystyle \ Delta \, V = {\ Delta \, \ му \, \ над е} = {\ му (N + \ Delta \, N) - \ му (N) \ над е}}может быть применен к квантовой точке с добавлением или удалением отдельных электронов,
Δ N знак равно 1 {\ Displaystyle \ Delta \ N = 1} и. Δ Q знак равно е {\ Displaystyle \ Delta \ Q = е} С (N) знак равно е 2 μ (N + 1) - μ (N) знак равно е 2 я (N) - A (N) {\ Displaystyle С (Н) = {е ^ {2} \ над \ мю (N + 1) - \ му (N)} = {е ^ {2} \ над I (N) -A (N)}}является «квантовой емкостью» квантовой точки, где мы обозначим через I (N ) потенциал ионизации и A (N) электронное сродство N системы -частицы.
Классическая механика
Классические модели электростатических свойств электронов в квантовых точках близки по своей природе к задаче Томсона оптимально распределяя электронов на единичной сфере.
Классическая электростатическая обработка электронов ограничиваются сферическими квантовыми точками подобна их обработке в Thomson, или сливы модели пудинга , атом.
Классическое лечение обоих двумерных и трехмерных квантовых точек обладают электронной оболочки заполнения поведение. А « периодическая таблица классических искусственных атомов» было описано для двумерных квантовых точек. Кроме того, несколько соединений были сообщены между трехмерными Thomson задачи и электронных оболочек-пломбировочных узоров, найденных в природе, происходящих атомов, найденных по всей таблице Менделеева. Эта последняя работа возникла в классическом электростатическом моделировании электронов в сферической квантовой точке, представленной идеальной диэлектрической сферой.
, quantum dots
Полупроводниковые кристаллы размером несколько нанометров, синтезированные коллоидным методом. 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».
Квантовые точки в зависимости от размера и химического состава 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.
Дополнительная информация
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, КТ 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. Нами для получения квантовых точек 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.
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 - ħ/(2md^2), где:
- ħ - приведённая постоянная Планка;
- d - характерный размер точки;
- m - эффективная масса электрона на точке
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.
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.