Kvant nuqtalari: Xususiyatlari va qo'llanilishiga oid keng qamrovli qo'llanma

Kvant nuqtalari (KN) - odatda diametri 2 dan 10 nanometrgacha bo'lgan yarimo'tkazgichli nanokristallardir. Ularning kvant mexanikasidan kelib chiqadigan noyob optik va elektron xususiyatlari ularni ko'plab sohalarda intensiv tadqiqot va ishlanmalar ob'ektiga aylantirdi. Ushbu keng qamrovli qo'llanma kvant nuqtalari asosidagi fundamental tamoyillarni, ularning sintez usullarini va ularning turli sohalarda qo'llanilishining doimiy ravishda kengayib borayotgan doirasini o'rganadi.

Kvant nuqtalarining kvant tabiatini tushunish

Kvant chegaralanish effekti

Kvant nuqtalarining o'ziga xos xususiyati kvant chegaralanish effektidir. Yarimo'tkazgichli kristallning hajmi nanohajmgacha kamaytirilganda, material ichidagi elektronlar va teshiklar (elektron bo'shliqlar) kichik hajmda chegaralanadi. Bu chegaralanish atomlarda kuzatilganlarga o'xshash diskret energiya darajalariga olib keladi. Ushbu darajalar orasidagi energiya farqi va shuning uchun kvant nuqtasi tomonidan chiqarilgan yoki yutilgan yorug'likning to'lqin uzunligi nuqtaning hajmiga teskari proportsionaldir.

Oddiyroq qilib aytganda, kichikroq kvant nuqtalari qisqaroq to'lqin uzunlikdagi (ko'k/binafsha) yorug'likni chiqaradi, kattaroq kvant nuqtalari esa uzunroq to'lqin uzunlikdagi (qizil/to'q sariq) yorug'likni chiqaradi. Ushbu hajmga moslashtiriladigan emissiya kvant nuqtalarining an'anaviy lyuminestsent materiallardan asosiy afzalligi hisoblanadi.

Kvant hosildorligi va fotobarikorligi

Kvant nuqtalarining ish faoliyatini tavsiflovchi ikkita muhim parametr - ularning kvant hosildorligi va fotobarikorligidir. Kvant hosildorligi kvant nuqtasining yutilgan fotonlarni chiqarilgan fotonlarga aylantirish samaradorligini anglatadi. Yuqori kvant hosildorligi yanada yorqinroq va samaraliroq lyuminestsensiyani anglatadi. Fotobarikorlik, o'z navbatida, kvant nuqtasining yorug'likka uzoq vaqt ta'sir qilish ostida buzilishiga qarshiligini anglatadi. Kvant nuqtalari odatda organik bo'yoqlarga nisbatan ustun fotobarikorlikni namoyon etadi, bu ularni uzoq muddatli ilovalar uchun mos qiladi.

Kvant nuqtalarining sintezi

Kvant nuqtalarini sintez qilish uchun bir nechta usullar qo'llaniladi, ularning har biri o'zining afzalliklari va kamchiliklariga ega. Ushbu usullarni kolloid sintez, bug'-faza cho'ktirish va elektrokimyoviy usullarga keng tasniflash mumkin.

Kolloid sintez

Kolloid sintez yuqori sifatli kvant nuqtalarini ishlab chiqarish uchun eng ko'p ishlatiladigan usuldir. U odatda yuqori haroratlarda suyuq eritmadagi KNlarning kimyoviy sintezini o'z ichiga oladi. KNlarning hajmi, shakli va tarkibi harorat, prekursor kontsentratsiyasi va reaksiya vaqti kabi reaksiya parametrlarini sozlash orqali aniq nazorat qilinishi mumkin. Kolloid sintezda ishlatiladigan materiallarga CdSe, CdTe, InP va CuInS2 misol bo'la oladi.

Keng tarqalgan misol - issiq, koordinatsion erituvchida kadmiy oksidi va selen prekursorlaridan foydalangan holda CdSe kvant nuqtalarining sintezi. Nuqtalarning hajmini reaksiya davomida yutilish spektrini kuzatish orqali nazorat qilish mumkin.

Bug'-faza cho'ktirish

Bug'-faza cho'ktirish usullari, masalan, metall-organik kimyoviy bug'-faza cho'ktirish (MOCVD) va molekulyar nur epitaksiyasi (MBE) qattiq substratlarda kvant nuqtalarini o'stirish uchun ishlatiladi. Ushbu usullar KNlarning hajmi va tarkibini mukammal nazorat qilishni taklif qiladi, ammo ular odatda kolloid sintezga qaraganda qimmatroq va murakkabroqdir.

Bug'-faza cho'ktirish ko'pincha kvant nuqtali lazerlar va boshqa optoelektron qurilmalarni ishlab chiqarishda qo'llaniladi.

Elektrokimyoviy usullar

Elektrokimyoviy usullar o'tkazuvchan substratga kvant nuqtalarini elektrocho'ktirishni o'z ichiga oladi. Ushbu usullar nisbatan oddiy va arzon, ammo ular boshqa usullar kabi KNlarning hajmi va tarkibini nazorat qilishning bir xil darajasini taklif qilmasligi mumkin.

Elektrokimyoviy usullar kvant nuqtali quyosh batareyalari va sensorlar kabi ilovalar uchun mos keladi.

Kvant nuqtalarining qo'llanilishi

Kvant nuqtalarining noyob xususiyatlari ularning displeylar, yoritish, quyosh batareyalari, biotibbiyot tasvirlash va sensorlar kabi keng doiradagi ilovalarda qabul qilinishiga olib keldi. Keling, ushbu ilovalarni batafsil o'rganamiz.

Displeylar

Kvant nuqtali displeylar an'anaviy suyuq kristall displeylarga (LCD) nisbatan yaxshilangan rang gamuti, yorqinligi va energiya samaradorligini taklif qiladi. Kvant nuqtali displeylarda kvant nuqtalarining yupqa plyonkasi ko'k LED orqa yoritgichining oldiga joylashtiriladi. Ko'k yorug'lik kvant nuqtalarini uyg'otadi, keyin ular toza qizil va yashil yorug'lik chiqaradi. Bu yanada kengroq rang gamuti va yanada yorqin ranglarga olib keladi.

Samsung, LG va TCL kabi bir nechta yirik televizor ishlab chiqaruvchilari hozirda turli xil brend nomlari (masalan, QLED, NanoCell) ostida kvant nuqtali televizorlar ishlab chiqarmoqda. Ushbu televizorlar yanada real va yorqin ranglar bilan yuqori ko'rish tajribasini taklif etadi.

Yoritish

Kvant nuqtalari qattiq holatli yoritish ilovalarida ham ishlatilishi mumkin. LEDlarni kvant nuqtalari bilan qoplash orqali yuqori rang berish indeksiga (CRI) va yaxshilangan energiya samaradorligiga ega oq yorug'likni yaratish mumkin. Kvant nuqtali yoritish an'anaviy lyuminestsent yoritishga nisbatan yanada tabiiy va qulay yorug'likni taklif etadi.

Yuqori ishlash va uzoq umr ko'rishni taklif qiluvchi kvant nuqtali lampochkalar va boshqa yoritish moslamalarini ishlab chiqish bo'yicha tadqiqotlar olib borilmoqda.

Quyosh batareyalari

Kvant nuqtali quyosh batareyalari an'anaviy silikon quyosh batareyalariga qaraganda yuqori samaradorlikka erishish potentsialiga ega. Kvant nuqtalari yorug'likning ultrabinafsha va infraqizil kabi to'lqin uzunliklarining kengroq diapazonini yutishi va ularni elektr energiyasiga aylantirishi mumkin. Ular, shuningdek, har bir yutilgan foton uchun ko'plab elektron-teshik juftlarini hosil qilishi mumkin, bu ko'plab eksitonlar hosil qilish (MEG) deb nomlanadi, bu ularning samaradorligini yanada oshirishi mumkin.

Kvant nuqtali quyosh batareyalari hali ham tadqiqot va ishlanmalar bosqichida bo'lsa-da, ular qayta tiklanadigan energiya kelajagi uchun katta va'da beradi.

Biotibbiyot tasvirlash

Kvant nuqtalari yuqori yorqinligi, fotobarikorligi va sozlanadigan emissiya to'lqin uzunliklari tufayli biotibbiyot tasvirlash ilovalarida keng qo'llaniladi. Ularni hujayralar, to'qimalar va organlarni belgilash uchun ishlatish mumkin, bu biologik jarayonlarni yuqori aniqlikda tasvirlash imkonini beradi. Kvant nuqtalarini antitelalarga yoki boshqa maqsadli molekulalarga konjugatsiya qilish mumkin, shunda ular tanadagi ma'lum nishonlarga selektiv ravishda bog'lanadi.

Kvant nuqtalarga asoslangan tasvirlash saraton kasalligini tashxislash, dori vositalarini etkazib berish va ildiz hujayralarini kuzatish kabi turli xil biomeditsina tadqiqot sohalarida qo'llaniladi. Masalan, tadqiqotchilar saratonni erta aniqlash uchun yangi tasvirlash usullarini ishlab chiqish uchun kvant nuqtalaridan foydalanmoqdalar.

Sensorlar

Kvant nuqtalari turli xil analizlarni, masalan, kimyoviy moddalar, gazlar va biomolekulalarni aniqlash uchun yuqori sezgir sensorlarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Analitning kvant nuqtasi bilan o'zaro ta'siri uning optik yoki elektron xususiyatlarini o'zgartirishi mumkin, keyin uni aniqlash va miqdorini aniqlash mumkin.

Kvant nuqtali sensorlar turli xil ilovalarda, jumladan, atrof-muhit monitoringi, oziq-ovqat xavfsizligi va tibbiy diagnostikada qo'llaniladi. Masalan, kvant nuqtalariga asoslangan sensorlardan suv yoki oziq-ovqat mahsulotlarida ifloslantiruvchi moddalarning iz miqdorini aniqlash uchun foydalanish mumkin.

Tibbiy qo'llanilishi

Tasvirlashdan tashqari, kvant nuqtalari terapevtik ilovalar uchun o'rganilmoqda. Bular quyidagilarni o'z ichiga oladi:

Dori vositalarini etkazib berish: Kvant nuqtalaridan saraton hujayralariga to'g'ridan-to'g'ri dori vositalarini qamrab olish va etkazib berish uchun foydalanish mumkin, bu esa yon ta'sirlarni kamaytiradi.
Fotodinamik terapiya: Kvant nuqtalari fotosensitizatorlar sifatida ishlaydi, yorug'likni saraton hujayralarini o'ldiradigan reaktiv kislorod turlariga aylantiradi.

Kvant nuqtalarining afzalliklari va kamchiliklari

Kvant nuqtalari ko'plab afzalliklarni taklif qilsa-da, ularning hal qilinishi kerak bo'lgan ba'zi cheklovlari ham bor.

Afzalliklari

Sozlanadigan emissiya: Kvant nuqtalarining emissiya to'lqin uzunligini ularning hajmi va tarkibini sozlash orqali aniq nazorat qilish mumkin.
Yuqori yorqinlik: Kvant nuqtalari yuqori kvant hosildorligini namoyon etadi, natijada yorqin va samarali lyuminestsensiya paydo bo'ladi.
Fotobarikorlik: Kvant nuqtalari organik bo'yoqlarga qaraganda fotobleachingga ko'proq chidamli bo'lib, ularni uzoq muddatli ilovalar uchun mos qiladi.
Keng yutilish spektri: Kvant nuqtalari yorug'likning keng doiradagi to'lqin uzunliklarini yuta oladi, bu samarali yorug'lik yig'ish imkonini beradi.

Kamchiliklari

Zaharlilik: Ba'zi kvant nuqtalari, masalan, tarkibida kadmiy bo'lganlar zaharlidir. Biroq, muqobil materiallarga asoslangan kamroq zaharli kvant nuqtalarini ishlab chiqish bo'yicha tadqiqotlar olib borilmoqda.
Narx: Yuqori sifatli kvant nuqtalarini sintez qilish qimmat bo'lishi mumkin, ayniqsa, katta miqyosda ishlab chiqarish uchun.
Barqarorlik: Kvant nuqtalari kislorod va namlik kabi atrof-muhit omillariga sezgir bo'lishi mumkin, bu ularning barqarorligi va ishlashiga ta'sir qilishi mumkin.

Kvant nuqtalarining kelajagi

Kvant nuqtalari sohasi tez sur'atlar bilan rivojlanmoqda, doimiy tadqiqotlar yangi materiallar ishlab chiqish, sintez usullarini takomillashtirish va ularning qo'llanilish doirasini kengaytirishga qaratilgan. Kelajakdagi asosiy tadqiqot yo'nalishlariga quyidagilar kiradi:

Zaharsiz kvant nuqtalarini ishlab chiqish: Tadqiqotchilar kadmiy asosidagi kvant nuqtalarini almashtirish uchun indiy fosfidi, mis indiy sulfidi va uglerod asosidagi kvant nuqtalari kabi muqobil materiallarni faol o'rganmoqdalar.
Kvant nuqtalarining barqarorligi va ishlashini yaxshilash: Kvant nuqtalarini buzilishdan himoya qilish uchun yangi sirt passivatsiya usullari va kapsulalash usullarini ishlab chiqishga qaratilgan sa'y-harakatlar.
Kvant nuqtalari uchun yangi ilovalarni ishlab chiqish: Kvant nuqtalari kvant hisoblash, spinotronika va ilg'or sensorlar kabi sohalarda qo'llanilishi o'rganilmoqda.

Kvant nuqtalari kelgusi yillarda turli sohalarda tobora muhim rol o'ynashi kutilmoqda. Tadqiqot va ishlanmalar rivojlanishda davom etar ekan, biz ushbu ajoyib nanomateriallarning yanada innovatsion va ta'sirchan ilovalarini ko'rishimiz mumkin. Masalan, KN texnologiyasidagi yutuqlar o'ralgan yoki buklangan moslashuvchan displeylarga olib kelishi mumkin, bu esa elektron qurilmalarning butunlay yangi turlarini yaratadi.

Global tadqiqot va ishlanmalar

Kvant nuqtalarini tadqiq qilish va ishlanmalari butun dunyoda olib borilmoqda, bunda turli mamlakatlardagi universitetlar, ilmiy-tadqiqot institutlari va kompaniyalari sezilarli hissa qo'shmoqda. Mana ba'zi diqqatga sazovor misollar:

Amerika Qo'shma Shtatlari: MIT, Stanford va Milliy qayta tiklanadigan energiya laboratoriyasi (NREL) kabi yetakchi universitetlar va ilmiy-tadqiqot muassasalari kvant nuqtalarini tadqiq qilishda faol ishtirok etmoqda. Nanosys va QD Vision (Samsung tomonidan sotib olingan) kabi kompaniyalar kvant nuqtali texnologiyalarni tijoratlashtirishda asosiy o'yinchilardir.
Evropa: Germaniyadagi Maks Plank instituti va Fransiyadagi CNRS kabi ilmiy-tadqiqot muassasalari kvant nuqtalarini tadqiq qilishga muhim hissa qo'shmoqda. Osram va Merck kabi kompaniyalar kvant nuqtalariga asoslangan mahsulotlarni ishlab chiqish va ishlab chiqarishda ishtirok etmoqda.
Osiyo: Janubiy Koreya, Yaponiya va Xitoy kabi davlatlar kvant nuqtalarini tadqiq qilish va ishlanmalarga katta sarmoya kiritmoqda. Samsung va LG kvant nuqtali displeylarning asosiy ishlab chiqaruvchilari bo'lib, ko'plab ilmiy-tadqiqot muassasalari kvant nuqtali texnologiyalarni rivojlantirishda faol ishtirok etmoqda.

Xulosa

Kvant nuqtalari o'ziga xos optik va elektron xususiyatlarga ega bo'lgan ajoyib nanomateriallar bo'lib, ularni keng doiradagi ilovalar uchun mos qiladi. Ularning hajmi sozlanadigan emissiyasi, yuqori yorqinligi va fotobarikorligi an'anaviy materiallarga nisbatan sezilarli afzalliklarni taklif qiladi. Zaharlilik va narx kabi muammolar saqlanib qolsa-da, doimiy tadqiqot va ishlanmalar kelajakda kvant nuqtalarining yanada innovatsion va ta'sirchan ilovalariga yo'l ochmoqda. Yorqinroq displeylar va samaraliroq quyosh batareyalaridan tortib ilg'or biotibbiyot tasvirlash va sensorli texnologiyalargacha kvant nuqtalari turli sohalarda inqilob qilishga va hayotimizni ko'plab jihatdan yaxshilashga tayyor.

Ushbu keng qamrovli qo'llanma kvant nuqtalari asosidagi fundamental tamoyillar, ularning sintez usullari va ularning doimiy ravishda kengayib borayotgan doirasi haqida umumiy ma'lumot berdi. Soha rivojlanishda davom etar ekan, so'nggi yutuqlar haqida xabardor bo'lib turish va global muammolarni hal qilish uchun kvant nuqtalarining potentsialini o'rganish muhim.