Многие области нанотехнологий и передовых материалов становятся основой следующего поколения различных технологий, поскольку позволяют миниатюризировать устройства без потери производительности. Более того, во многих случаях производительность даже увеличивается. В настоящее время существует множество аспектов нанотехнологий в электронике, и с каждым годом они всё активнее находят коммерческое применение. В этой статье рассматривается одна конкретная область нанотехнологий — квантовые точки, которые уже применяются в телевизорах с квантовыми светодиодами (QLED), однако сфера их применения значительно шире, чем просто телевизоры.
Что такое квантовые точки?
Для начала определим, что такое квантовые точки, и рассмотрим их уникальные свойства. Квантовые точки — это одни из самых маленьких наноматериалов, большинство из которых имеет диаметр всего в несколько нанометров (нм), редко превышая 10 нм. Их малый размер означает, что они обычно содержат от 10 до 50 атомов, и, как следствие, обладают уникальными электронными свойствами и квантовыми эффектами, не наблюдаемыми у более крупных материалов.
Электронные свойства квантовых точек можно рассматривать как нечто среднее между обычными полупроводниковыми материалами и отдельными молекулами, не связанными с другими молекулами ковалентными связями. Однако самым уникальным и практичным свойством квантовых точек является их флуоресценция — а точнее, возможность излучать свет разных цветов в зависимости от размера квантовой точки.
Возможно, главное преимущество квантовых точек по сравнению с другими молекулами заключается в том, что они могут излучать свет любого цвета, просто изменяя свой размер. Это делает их особенно эффективным и универсальным материалом для генерации цветного света — будь то для дисплеев, биовизуализации или сбора и поглощения фотонов в солнечных элементах.
Как квантовые точки излучают свет
Благодаря своей полупроводниковой природе, в квантовых точках существует естественный электронный запрещённый промежуток (bandgap) между валентной и зоной проводимости. Как и у любых полупроводников, этот промежуток может быть преодолён при поступлении энергии, например, от фотона света или электрического тока.
В отличие от других полупроводников, из-за своего крошечного размера электроны в квантовых точках ограничены в наноразмерном пространстве, называемом квантовой ячейкой. В этом пространстве электроны замкнуты во всех трёх измерениях, поэтому квантовые точки называют нульмерными (0D) материалами. Именно это квантовое ограничение определяет их способность к флуоресценции.
Флуоресценция проявляется в виде определённого цвета и происходит, когда введённая энергия заставляет электроны перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. После возбуждения электроны теряют часть энергии и возвращаются в основное состояние, вновь оказываясь в ограниченном пространстве. При этом выделяется избыток энергии в виде света.
Цвет излучаемого света зависит только от размера квантовой точки. Общая закономерность такова: чем меньше квантовая точка, тем дальше друг от друга находятся валентная зона и зона проводимости, и наоборот — у более крупных квантовых точек они ближе. При большем bandgap требуется больше энергии для возбуждения электрона, и при обратном переходе выделяется больше энергии — это сдвигает излучение в сторону синего спектра. У более крупных точек требуется меньше энергии, и выделяется меньше энергии — свет смещается к красной части спектра. Промежуточные размеры квантовых точек можно подбирать так, чтобы они излучали любой цвет видимого света.
Дисплейные технологии
Использование квантовых точек в телевизорах QLED уже стало коммерческой реальностью и позволяет таким дисплеям превосходить OLED, LCD и LED по качеству изображения. Возможность генерировать насыщенные цвета по всему спектру стала ключевым фактором успеха этой технологии. QLED телевизоры работают аналогично другим, но благодаря небольшим размерам квантовых точек можно настраивать их на узкополосное излучение зелёного, синего и красного света. Это позволяет создавать более яркое и чёткое изображение благодаря высокоэффективной флуоресценции квантовых точек.
Солнечные элементы
Разработчики используют квантовые точки для повышения эффективности различных солнечных батарей, включая на основе селенидов кадмия (CdSe), меди-индия (CIS), сульфида свинца (PbS), селенидов свинца (PbSe), фосфида индия (InP) и перовскитов. Квантовые точки особенно хорошо подходят для многослойных солнечных элементов, так как могут быть настроены для поглощения разных длин волн.
Благодаря настраиваемости, квантовые точки могут быть оптимизированы под конкретные спектры света и извлекать носители заряда без потерь на тепловую релаксацию (thermalization). В этом процессе электроны теряют энергию в виде тепла, но квантовые точки позволяют минимизировать эти потери, что ведёт к созданию более эффективных солнечных элементов.
Кроме того, квантовые точки могут генерировать несколько носителей заряда от одного фотона, что повышает ток и эффективность преобразования энергии (PCE). Одной из ключевых перспектив является возможность преодоления предела Шокли-Квайссера (32% для однопереходного кремниевого элемента), что делает квантовые точки особенно интересными для будущих разработок.
Биосенсоры и биовизуализация
Квантовые точки также нашли применение в медицине — в биовизуализации и биосенсорах. Благодаря флуоресценции они служат флуоресцентной меткой для подсветки биологических тканей. Их маленький размер позволяет им проникать через клеточные мембраны, попадая внутрь клеток, тканей и органов. Снаружи они подсвечиваются, позволяя выявить особенности на микро- и макроуровне.
В биосенсорах квантовые точки встраиваются в чувствительные поверхности сенсора, улучшая избирательность, чувствительность и точность. Такие сенсоры применяются в диагностике, токсикологии, послеоперационном наблюдении и в экологических исследованиях — для обнаружения загрязнителей в воде и почве.
Итоги
Квантовые точки обладают уникальными свойствами и являются одними из самых маленьких материалов, используемых сегодня. Из-за ограниченности электронов во всех трёх измерениях они имеют нульмерную структуру, что и обусловливает их функциональные особенности. Одно из важнейших свойств — способность к флуоресценции под воздействием внешней энергии, при которой излучается свет разной длины волны в зависимости от размера точки. Благодаря лёгкой настраиваемости по цвету, квантовые точки нашли применение в широком спектре технологий: от QLED-дисплеев и солнечных батарей до биовизуализации и биосенсоров.