2 ), где:

h — приведённая постоянная Планка;

d — характерный размер точки;

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. 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.

Жидкокристаллические дисплеи состоят из 5 слоев: источником является белый свет, излучаемый светодиодами, который проходит через несколько поляризационных фильтров. Фильтры, расположенные спереди и сзади, в совокупности с жидкими кристаллами управляют проходящим световым потоком, понижая или повышая его яркость. Это происходит благодаря транзисторам пикселей, влияющие на количество света, проходимое через светофильтры (красный, зеленый, синий).

Сформированный цвет этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов происходит довольно «гладко», но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий попросту невозможно. Камнем преткновения выступают фильтры, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый ряд различных по длине волн. К примеру, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.

 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.

Светодиод излучает свет при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны (e) 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. В результате полученные фотоны (P) имеют различную энергию, что выражается в различной длине волн излучения.

 Стабилизация света квантовыми точками

В телевизорах QLED в качестве источника света выступают квантовые точки — это кристаллы размером лишь 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.

Данный эффект достигается мизерными 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. К примеру, 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 также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.

 Массовое производство синих кристаллов очень сложное и затратное, поэтому представленный в 2013 году компанией Sony телевизор не является «породистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых их 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.

Ученые построили теорию формирования широко распространенного класса квантовых точек, которые получают из содержащих кадмий и селен соединений. В течение 30 лет разработки в этом направлении во многом полагались лишь на метод проб и ошибок. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

 

Квантовые точки — это наноразмерные кристаллические полупроводники с примечательными оптическими и электронными свойствами, благодаря которым они уже нашли применение во многих областях исследований и технологий. Они обладают промежуточными свойствами между объемными полупроводниками и отдельными молекулами. Однако в процессе синтеза этих наночастиц остаются неясные моменты, так как полностью понять, как взаимодействуют реагенты, некоторые из которых высокотоксичны, ученые не смогли.

Тодд Краусс и Ли Френетт из Рочестерского университета собираются изменить эту ситуацию. В частности, они выяснили, что в процессе реакции синтеза появляются токсичные соединения, которые использовали для получения первых квантовых точек 30 лет назад. «По сути дела мы отправились «назад в будущее» благодаря нашему открытию, — поясняет Краусс. — Оказалось, что применяемые сегодня более безопасные реактивы превращаются именно в те самые вещества, использование которых пытались избежать десятилетиями. Они же, в свою очередь, реагируют с образованием квантовых точек».

 По словам авторов, открытие обеспечит три важных вещи. Во-первых, оно уменьшит количество догадок при производстве квантовых точек на основе кадмия или селена, что приводило к несоответствиям и невоспроизводимости, мешавшим поиску промышленного применения. Во-вторых, предупредит исследователей и компании, работающие с синтезом квантовых точек в больших объемах, что они по-прежнему имеют дело с такими опасными веществами, как селеноводород и алкил-кадмиевые комплексы, хотя и неявно. В-третьих, прояснит химические свойства фосфинов, применяемых во многих процессах синтеза квантовых точек при высокой температуре.

Спасибо за интерес. Оценивайте, комментируйте, делитесь, подписывайтесь.

Кстати, посмотрите советы о том как выбрать монитор.

В СПбАУ СОЗДАЛИ ИННОВАЦИОННЫЕ КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ ДЛЯ ШИФРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ

23 марта 2021, 11:54

Нанотехнологи Алфёровского университета совместно с коллегами из Дании впервые создали квантовые точки GaAs в нитевидных нанокристаллах AlGaAs на поверхности кремния. Полученный материал не только обладает высоким качеством, но и демонстрирует возможность излучения в квантовых точках. Это открывает новые возможности для создания квантовых компьютеров для сверхбыстрых вычислений и безопасного обмена информацией. Результаты опубликованы в журнале Nature group — npj Quantum Information.

 

Быстрые вычисления огромного объёма данных могут стать возможными благодаря квантовым компьютерам, а квантовая криптография позволяет защитить информацию во время её передачи, искажая её при прочтении посторонним пользователем. Эти технологии основаны, в том числе, на использовании квантовых точек, также известных как «искусственные атомы» – нанокристаллов полупроводникового материала, где, из-за малого размера наночастиц, носители заряда в них ведут себя не так, как в объемных полупроводниках, проявляя свои квантовые свойства. 

 

Исследователи Алфёровского университета создали новый тип наноструктур с квантовыми точками с возможностью получения в них необходимого биэкситон-экситон излучения. Исследования проходили совместно с физиками Технического университета Дании (DTU) — научной группой профессора Акопяна.

 

“Наши структуры перспективны для ряда приложений, в том числе, для квантовой криптографии. С помощью полученного излучения можно обмениваться информацией, не опасаясь, что её перехватят. Также полученные материалы могут быть использованы при создании квантовых компьютеров”, — объясняет Родион Резник младший научный сотрудник лаборатории эпитаксиальных нанотехнологий Алфёровского университета.

Инновационные структуры в виде нитевидных нанокристаллов (ННК) арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) учёные СПбАУ синтезировали методом молекулярно-пучковой эпитаксии на поверхности кремния и сформировали в теле таких кристаллов квантовые точки (КТ) на основе арсенида галлия (GaAs). 

Далее вместе с коллегами из Дании исследователи теоретически показали, что можно возбуждать только квантовую точку в нанокристалле отдельно от остальной структуры, что и было подтверждено экспериментально.

 

Результаты открывают возможности для создания усовершенствованных квантовых устройств, в которых можно управлять состоянием каждой квантовой точки индивидуально.

 

“Нами был исследован абсолютно новый полупроводниковый материал — AlGaAs ННК.Сформированные в его теле квантовые точки позволяют создавать системы, превосходящие по своим параметрам все имеющиеся аналоги” — уверен Георгий Цырлин, д.ф.-м.н., заведующий лабораторией эпитаксиальных нанотехнологий Алфёровского университета.

 

Полученные нанострутуры позволять не только защитить информацию при использовании квантовой криптографии, но и увеличить скорость передачи данных в квантовых компьютерах. 

 

Quantum Dots — TryNano

Если вы читали научно-популярные статьи, то наверняка встречали термин «квантовая точка». Он появляется повсюду — «квантовые точки» для доставки лекарств, «квантовые точки» для многоцветного дисплея, «лазеры с квантовыми точками» — список кажется бесконечным. Итак, что такое квантовая точка? Грубо говоря, это крошечная конструкция из твердого материала. Он настолько мал (обычно состоит из 1000–10 000 атомов), что электрон внутри него сильно ограничен в своем движении. Теперь, когда движение электрона так сильно ограничено, его кинетическая энергия может принимать только определенные допустимые значения, которые определяются размером и формой точки, а также материалом, из которого она состоит.

Арсенид галлия (GaAs) является популярным материалом, из которого можно делать квантовые точки, потому что эффективная масса электрона и форма кристалла коррелируют при комнатной температуре, формируя желаемые свойства. Обратите внимание, что 1 нанометр = 10 ^-9 м, что примерно в 100 000 раз меньше толщины человеческого волоса. Поскольку атомы в GaAs расположены на расстоянии примерно 0,5 нм друг от друга, квантовая точка содержит около 25 000 атомов.

Одним из важных свойств квантовых точек является их исключительно большое отношение поверхности к объему. В случае куба с ребром W это отношение равно 6/W; в случае сферы диаметром D отношение равно 6/D. Соотношение увеличивается по мере того, как размер точки (W или D) становится меньше. Для баскетбольного мяча диаметром 0,1 м отношение равно 60 м ^-1 , но для квантовой точки диаметром 10 нанометров (10 ^-8 м) отношение составляет 6×10 ⁸ м ^-1 , что в десять миллионов раз больше. Большое отношение поверхности к объему квантовой точки используется в химических и биологических сенсорах. Сенсорная активность обычно происходит только на поверхности, а не внутри; поэтому имеет смысл иметь большое отношение поверхности к объему. Может быть полезно заменить крупную чувствительную частицу несколькими крошечными частицами или квантовыми точками.

Чтобы понять это еще лучше, обратите внимание, что объем баскетбольного мяча в 10 ²¹ раз больше, чем у квантовой точки, которую мы только что описали, поэтому баскетбольный мяч можно разбить на 10 ²¹ квантовых точек. Общая площадь поверхности всех этих точек в 10 ⁷ раз больше, чем у баскетбольного мяча. Таким образом, разбивая баскетбольный мяч на квантовые точки, мы получаем датчик, который в в десять миллионов раз эффективнее . Вот почему квантовые точки так важны в таких приложениях, как зондирование, адресная доставка лекарств и катализ — все они требуют большого отношения поверхности к объему.

Квантовые точки также полезны в многоцветных дисплеях (см. рис. 1). Они излучают свет, когда электрон внутри точки переходит из состояния с более высокой энергией (возбужденного) в состояние с более низкой энергией (основное). Цвет излучаемого света зависит от разницы энергий конечного и начального состояний, а также от размера точки. Следовательно, квантовые точки разных размеров будут излучать свет разного цвета. Это основа многоцветного отображения.

Изготовление квантовых точек с хорошим контролем размера, чистоты материала и размещением на заданной поверхности — непростая задача. Распространены два подхода: «подход сверху вниз», когда большой кусок материала вырезается до маленькой квантовой точки с использованием процесса литографии и травления. Небольшой вариант этого подхода  электростатическое изображение квантовых точек  , где металлические площадки размещены на тонком слое материала, как показано на рисунке 2. К площадкам приложен отрицательный потенциал, который отталкивает электроны снизу, оставляя небольшую лужицу электронов в центре ; они образуют квантовую точку.

Второй подход — «снизу вверх» и известен как самостоятельная сборка. Здесь спонтанное скопление атомов в структуры четко определенного размера (несколько нанометров) и формы образуют квантовые точки.

Направленная самосборка  является усовершенствованием процесса, при котором спонтанная сборка может происходить на структурированной подложке, которая предлагает предпочтительные места для зарождения квантовых точек. Это также называется самосборкой на основе шаблона , поскольку узорчатая подложка действует как шаблон для пространственного упорядочения квантовых точек.

На рис. 3 показан пример нанесения материала на пористую керамическую пленку, содержащую квазипериодический набор пор. Осажденные атомы собираются на островке между порами, образуя пространственно упорядоченный массив пирамидальных квантовых точек.

На рис. 3 в качестве примера показан материал, нанесенный на пористую керамическую пленку, содержащую квазипериодический массив пор. Осажденные атомы собираются на островке между порами, образуя пространственно упорядоченный массив пирамидальных квантовых точек.

Квантовые точки — удивительные объекты, которые все чаще используются в большом ассортименте коммерческих и оборонных продуктов. В совершенствовании методов синтеза наблюдается быстрый прогресс, и можно ожидать, что квантовые точки проникнут на рынок в течение следующего десятилетия или около того.

Лазерная технология с квантовыми точками | Innonume

Инновации в лазерной технологии на квантовых точках – Innonume GmbH

На чем основана технология лазера на квантовых точках? Квантовые точки представляют собой небольшие полупроводниковые структуры в среде-хозяине с более высокой электронной (энергетической) запрещенной зоной. Размеры точек обычно составляют от 2 до 10 нм или от ~10 до 50 атомов. В частности, квантовые точки для лазерных диодов представляют собой самоорганизующиеся наноструктуры, которые самопроизвольно и контролируемо формируются на подложке III-V с несогласованной решеткой во время процессов эпитаксиального роста, таких как MBE или MOCVD. Они функционируют путем локализации носителей заряда, то есть электронов и дырок (экситонов), посредством квантового ограничения. Это ограничивает три поступательные степени свободы и может значительно улучшить полезные электронные свойства.

На данный момент квантовые точки являются, пожалуй, лучшим практическим примером зарождающихся нанотехнологий.

Технология квантовых точек позволяет значительно улучшить характеристики широкого спектра оптоэлектронных и электронных устройств, используемых в оптических коммуникациях, сенсорных, медицинских и биологических системах.

Innonume занимается разработкой и расширением применения лазерной технологии с квантовыми точками путем завершения обширных исследований и разработки передовых производственных процессов. В настоящее время Innolume GmbH поставляет передовые лазерные технологии для множества отраслей, и мы работаем над дальнейшим расширением использования этой передовой технологии.

Лазерная технология с квантовыми точками от Innonume — доступна в широком диапазоне стандартных или индивидуальных решений, основанных на требованиях наших клиентов и их отраслей. Мы будем рады предоставить вам дополнительную информацию о наших продуктах и ​​возможностях их применения – не стесняйтесь обращаться к нам.

Что наша лазерная технология с квантовыми точками может сделать для вас

Квантовые точки составляют усиливающую среду практически во всех полупроводниковых диодных лазерах Innonume и связанных с ними продуктах. Это связано с тем, что их структура устройства, дизайн и производительность обеспечивают значительные преимущества по сравнению с обычными гетероструктурами с квантовыми ямами.

Исходя из этого, лазерная технология с квантовыми точками предлагает следующие преимущества:

• Уменьшенный пороговый ток
• Независимость от температуры
• Расширенный спектр усиления
• Низкий относительный шум интенсивности

они были предсказаны на основе идеализированного поведения квантовых точек, невозмущенного средой и структурой хозяина. Реальность намного сложнее. Для полной реализации теоретических преимуществ потребовались годы разработки процесса МЛЭ (молекулярно-лучевой эпитаксии), проектирования гетероструктур и оптимизации устройств в конструкторском центре Innolume GmbH и на фабрике пластин, расположенных в Дортмунде, Германия.

Лазерные решения на квантовых точках от Innonume

Сегодня Innonume достигла многообещающей нанотехнологии лазера на квантовых точках для лазерных диодов , а также для связанных оптических устройств, таких как чипы усиления (GC) , полупроводниковый оптический усилитель (SOA) , светоизлучающие диоды (LED) , суперлюминесцентные диоды (SLD) и одномодовые или многомодовые лазерные линейки. Достижения включают в себя:

• Независимая от температуры производительность лазера от -20º до 90º C
• Широкий спектр генерации (> 80 нм) с одинаковой интенсивностью
• Уникальная технология Гребенчатый лазер Диодная технология с безошибочной модуляцией нескольких каналов высокой мощности (≥ 5 мВт) со скоростью 10 Гбит/с
• Стабильный и надежный режим фиксация при высокой пиковой мощности
• Лазерные характеристики значительно лучше, чем у стандартных диодных лазеров с квантовыми ямами

От простого лазерного диода до широкого спектра продуктов, связанных с лазерами, — универсальность лазерной технологии с квантовыми точками поразительна, а возможности для ее дальнейшего применения еще предстоит обнаружить. Учитывая множество преимуществ по сравнению с обычными (на основе квантовых ям) лазерными продуктами и высокую надежность с превосходной эффективностью, лазерная технология на квантовых точках будет продолжать укреплять свою межотраслевую актуальность в будущем.

Технические подробности, касающиеся нашей лазерной технологии с квантовыми точками

Компания Innolume предпочитает систему составных полупроводниковых материалов InAs/GaAs, а именно квантовые точки из арсенида индия в арсениде галлия с барьерами из арсенида галлия из алюминия, все на подложках из арсенида галлия. Окно длины волны генерации для этой системы находится между 1064 нм и 1320 нм, что контролируется размером квантовых точек, распределением и концентрацией индия. Таким образом, лазеры на квантовых точках Innonume заполняют промежуток между длинами волн между лазерами с квантовыми ямами на основе GaAs (< 1100 нм) или InP (> 1300 нм). Квантовые точки позволяют использовать мощные устройства с высокой эффективностью сетевой розетки.

Лазерная технология с квантовыми точками от Innonume – на основе опыта и знаний

Ученые и инженеры Innonume GmbH десятилетиями занимаются применением нанотехнологий с квантовыми точками. Многие из наших технических специалистов прошли обучение во всемирно известном Институте Иоффе в Санкт-Петербурге, Россия, под руководством профессора Алферова (лауреата Нобелевской премии 2000 года по лазерной гетероструктуре) и его коллег. Они специализируются на MBE и лазерных технологиях, объединившись в 2003 году, чтобы основать Innolume GmbH с видением коммерциализации нанотехнологии лазера с квантовыми точками. Здесь выполняются все этапы изготовления, от МЛЭ до упаковки. Для дальнейшего совершенствования своей технологии в 2006 году Innolume приобрела Zia Laser в Нью-Мексико, США, компанию с собственной передовой технологией квантовых точек.

Стремление к совершенству – инновационная лазерная технология от Innonume

Учитывая наш долгий опыт работы с лазерной технологией на квантовых точках и сопутствующими продуктами, мы предоставляем нашим клиентам надежные, эффективные и высокопроизводительные решения, которые соответствуют их потребностям и превосходят ожидания по постоянная основа. В Innonume мы прилагаем все усилия, чтобы внедрить эти инновации в приложения для передачи данных, телекоммуникаций, промышленности, медицины и науки.

• Превосходное качество
  Мы очень гордимся качеством нашей работы и постоянно оптимизируем производственный процесс. Это позволяет нам гарантировать, что все продукты Innonume превышают требования клиентов.

• Высокая надежность
  От лазера DBR/DFB до перестраиваемых и широкополосных источников — все наши продукты являются проверенным результатом инноваций и приверженности оптимальным решениям. Независимо от отрасли, наши лазерные диоды созданы для работы в экстремальных условиях в течение длительного периода времени.
• Индивидуальные решения
  Стандартные или индивидуальные продукты – мы предлагаем решения, которые нужны нашим клиентам. Всякий раз, когда у вас есть особые требования или продукт имеет критические характеристики, мы будем работать над тем, чтобы предоставить превосходный продукт.

  No related posts.