النقاط الكمومية: الطباعة والتطبيقات الأخرى. النقاط الكمومية (Quantum dot LED) - تقنية جديدة لإنتاج شاشات العرض

من أجل الحصول على فكرة عامة عن خصائص الأشياء المادية والقوانين التي بموجبها "يعيش" العالم الكبير المألوف لدى الجميع ، ليس من الضروري على الإطلاق التخرج من مؤسسة تعليمية عليا ، لأن كل يوم يكون تواجه مظاهرها. على الرغم من أن مبدأ التشابه قد تم ذكره بشكل متزايد مؤخرًا ، حيث يجادل مؤيدوه بأن العالمين الجزئي والكلي متشابهان جدًا ، ومع ذلك ، هناك فرق. هذا ملحوظ بشكل خاص في الأحجام الصغيرة جدًا من الأجسام والأشياء. النقاط الكمومية ، التي تسمى أحيانًا nanodots ، ليست سوى واحدة من هذه الحالات.

أقل من أقل

لنتذكر التركيب الكلاسيكي للذرة ، على سبيل المثال ، الهيدروجين. وهو يشتمل على نواة ، نظرًا لوجود بروتون موجب الشحنة فيها ، لها علامة زائد ، أي +1 (نظرًا لأن الهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري). وفقًا لذلك ، يقع الإلكترون (-1) على مسافة معينة من النواة ، مكونًا غلاف إلكتروني. من الواضح ، إذا قمت بزيادة القيمة ، فسيستلزم ذلك إضافة إلكترونات جديدة (تذكر: بشكل عام ، تكون الذرة متعادلة كهربائيًا).

يتم تحديد المسافة بين كل إلكترون والنواة من خلال مستويات الطاقة للجسيمات سالبة الشحنة. كل مدار ثابت ، التكوين الكلي للجسيمات يحدد المادة. يمكن للإلكترونات أن تقفز من مدار إلى آخر ، وتمتص الطاقة أو تطلقها من خلال الفوتونات ذات التردد أو ذاك. تحتوي المدارات الأبعد على إلكترونات ذات مستوى طاقة قصوى. ومن المثير للاهتمام أن الفوتون نفسه يُظهر طبيعة مزدوجة ، حيث يتم تعريفه في وقت واحد على أنه جسيم عديم الكتلة والإشعاع الكهرومغناطيسي.

كلمة "فوتون" نفسها من أصل يوناني ، وتعني "جسيم الضوء". لذلك ، يمكن القول أنه عندما يغير الإلكترون مداره ، فإنه يمتص (يطلق) كمية من الضوء. في هذه الحالة ، من المناسب شرح معنى كلمة أخرى - "الكم". في الواقع ، لا يوجد شيء معقد. تأتي الكلمة من "الكم" اللاتينية ، والتي تُترجم حرفيًا على أنها أصغر قيمة لأي كمية فيزيائية (هنا - الإشعاع). دعونا نوضح بمثال ما هو الكم: إذا كانت أصغر كمية غير قابلة للتجزئة ، عند قياس الوزن ، هي مليغرام ، فيمكن تسميتها بذلك. هذه هي الطريقة التي يتم بها شرح المصطلح الذي يبدو معقدًا بهذه البساطة.

شرح النقاط الكمومية

غالبًا ما تجد في الكتب المدرسية التعريف التالي لـ nanodot - هذا جسيم صغير جدًا من أي مادة ، يمكن مقارنة حجمه بقيمة الطول الموجي المنبعث للإلكترون (يغطي الطيف الكامل الحد من 1 إلى 10 نانومتر). بداخله ، تكون قيمة حامل شحنة سالبة واحدة أقل من الخارج ، لذا فإن حركة الإلكترون محدودة.

ومع ذلك ، يمكن تفسير مصطلح "النقاط الكمومية" بشكل مختلف. الإلكترون الذي يمتص الفوتون "يرتفع" إلى مستوى طاقة أعلى ، وفي مكانه يتشكل "نقص" - ما يسمى بالثقب. وفقًا لذلك ، إذا كان للإلكترون شحنة -1 ، فإن الثقب يحتوي على +1. في محاولة للعودة إلى الحالة المستقرة السابقة ، يصدر الإلكترون فوتونًا. يسمى اتصال حاملات الشحنة "-" و "+" في هذه الحالة بالإكسيتون وفي الفيزياء يُفهم على أنه جسيم. يعتمد حجمه على مستوى الطاقة الممتصة (مدار أعلى). النقاط الكمومية هي بالضبط هذه الجسيمات. يعتمد تواتر الطاقة المنبعثة من الإلكترون بشكل مباشر على حجم الجسيم للمادة المعينة والإكسيتون. وتجدر الإشارة إلى أن إدراك اللون للضوء بالعين البشرية يعتمد على اختلاف

LED ، LCD ، OLED ، 4K ، UHD ... يبدو أن آخر شيء تحتاجه صناعة التلفزيون الآن هو اختصار تقني آخر. ولكن لا يمكن إيقاف التقدم ، وتلبية بضعة أحرف أخرى - QD (أو Quantum Dot). ألاحظ على الفور أن مصطلح "النقاط الكمومية" في الفيزياء له معنى أوسع مما هو مطلوب لأجهزة التلفزيون. ولكن في ضوء الموضة الحالية لكل ما يتعلق بالفيزياء النانوية ، بدأ مسوقو الشركات الكبرى بسعادة في تطبيق هذا المفهوم العلمي الصعب. لذلك ، قررت معرفة نوع النقاط الكمومية ولماذا سيرغب الجميع في شراء تلفزيون QD.

أولاً ، القليل من العلم بشكل مبسط. "النقطة الكمومية" هي أشباه موصلات تعتمد خواصها الكهربائية على حجمها وشكلها (ويكي). يجب أن تكون صغيرة جدًا بحيث يتم توضيح تأثيرات الحجم الكمي. وهذه التأثيرات ينظمها حجم هذه النقطة بالذات ، أي من "الأبعاد" ، إذا كانت هذه الكلمة قابلة للتطبيق على مثل هذه الأشياء الصغيرة ، فإن طاقة المنبعث ، على سبيل المثال ، الفوتون تعتمد - في الواقع ، اللون.

Quantum-Dot-TV LG ، والذي سيُعرض لأول مرة في CES 2015

بمصطلحات أكثر للمستهلكين ، هذه جسيمات صغيرة تبدأ في التوهج في طيف معين إذا كانت مضاءة. إذا تم تطبيقها وفركها على طبقة رقيقة ، ثم أضاءت ، سيبدأ الفيلم في التألق بشكل مشرق. جوهر هذه التقنية هو أنه من السهل التحكم في حجم هذه النقاط ، مما يعني تحقيق اللون الدقيق.

التدرج اللوني لأجهزة تلفزيون QD ، وفقًا لـ QD Vision ، أعلى 1.3 مرة من أجهزة التلفزيون التقليدية ويغطي NTSC بالكامل

في الواقع ، ليس من المهم تحديد الاسم الذي تختاره الشركات الكبرى ، فالشيء الرئيسي هو ما يجب أن تقدمه للمستهلك. وهنا الوعد بسيط للغاية - إعادة إنتاج ألوان محسنة. لفهم كيفية توفير "النقاط الكمية" بشكل أفضل ، عليك أن تتذكر تصميم شاشة LCD.

ضوء تحت الكريستال

يتكون تلفزيون LCD (LCD) من ثلاثة أجزاء رئيسية: إضاءة خلفية بيضاء ، ومرشحات ألوان (تفصل التوهج إلى الأحمر والأزرق والأخضر) ، ومصفوفة بلورية سائلة. هذا الأخير يشبه شبكة من النوافذ الصغيرة - وحدات البكسل ، والتي بدورها تتكون من ثلاث وحدات بكسل فرعية (خلايا). يمكن أن تحجب البلورات السائلة ، مثل الستائر ، تدفق الضوء أو ، على العكس من ذلك ، تفتح تمامًا ، وهناك أيضًا حالات وسيطة.

تنتج شركة PlasmaChem GmbH "النقاط الكمومية" بالكيلوجرام وتعبئتها في قوارير

عندما يكون الضوء الأبيض المنبعث من مصابيح LED (LED ، اليوم من الصعب بالفعل العثور على تلفزيون بمصابيح فلورية ، كما كان قبل بضع سنوات فقط) ، على سبيل المثال ، يمر عبر بكسل يتم فيه إغلاق الخلايا الخضراء والحمراء ، ثم نرى اللون الأزرق. تتغير درجة "مشاركة" كل RGB بكسل ، وبالتالي يتم الحصول على صورة ملونة.

حجم النقاط الكمومية والطيف الذي تنبعث منه الضوء ، وفقًا لـ Nanosys

كما يمكنك أن تتخيل ، هناك حاجة إلى شيئين على الأقل لضمان جودة اللون في الصورة: مرشحات ألوان دقيقة وإضاءة خلفية بيضاء مناسبة ، ويفضل أن يكون ذلك مع طيف واسع. فقط مع هذا الأخير ، فإن LEDs لديها مشكلة.

أولاً ، إنها ليست بيضاء في الواقع ، بالإضافة إلى أنها تتميز بطيف لوني ضيق للغاية. أي أن الطيف ذو اللون الأبيض الواسع يتم تحقيقه من خلال الطلاءات الإضافية - هناك العديد من التقنيات ، ما يسمى بصمامات الفوسفور مع إضافة اللون الأصفر يتم استخدامها في كثير من الأحيان أكثر من غيرها. ولكن حتى هذا اللون "شبه الأبيض" لا يزال أقل من المثالية. إذا قمت بتمريره عبر منشور (كما في درس الفيزياء في المدرسة) ، فلن يتحلل إلى جميع ألوان قوس قزح بنفس الشدة ، كما يحدث مع ضوء الشمس. الأحمر ، على سبيل المثال ، سيظهر أكثر قتامة من الأخضر والأزرق.

هذا ما يبدو عليه نطاق إضاءة LED التقليدية. كما ترى ، تكون درجة اللون الأزرق أكثر كثافة ، ويتم تغطية الأخضر والأحمر بشكل غير متساوٍ بواسطة مرشحات الكريستال السائل (الخطوط الموجودة على الرسم البياني)

يحاول المهندسون بالطبع إصلاح الموقف والتوصل إلى حلول بديلة. على سبيل المثال ، يمكنك خفض مستويات اللونين الأخضر والأزرق في إعدادات التلفزيون ، لكن هذا سيؤثر على السطوع الكلي - ستصبح الصورة باهتة. لذلك كان كل المصنِّعين يبحثون عن مصدر للضوء الأبيض ، والذي ينتج عنه انحلاله في طيف موحد بألوان من نفس التشبع. هذا هو المكان الذي تأتي فيه النقاط الكمومية للإنقاذ.

النقاط الكمومية

دعني أذكرك أنه إذا كنا نتحدث عن أجهزة التلفاز ، فإن "النقاط الكمومية" هي بلورات مجهرية تتلألأ عندما يضربها الضوء. يمكنهم "حرق" بألوان مختلفة ، كل هذا يتوقف على حجم النقطة. وبالنظر إلى أن العلماء قد تعلموا الآن التحكم في حجمهم بشكل شبه كامل عن طريق تغيير عدد الذرات التي تتكون منها ، يمكنك الحصول على توهج اللون الذي تحتاجه بالضبط. أيضًا ، النقاط الكمومية مستقرة جدًا - فهي لا تتغير ، مما يعني أن النقطة التي تم إنشاؤها للتألق مع ظل معين من اللون الأحمر ستحتفظ دائمًا بهذا الظل.

هذا ما يبدو عليه طيف LED باستخدام فيلم QD (وفقًا لـ QD Vision)

توصل المهندسون إلى فكرة استخدام التكنولوجيا بالطريقة التالية: يتم تطبيق طلاء "نقطة الكم" على غشاء رقيق ، مصمم للتوهج بظلال معينة من الأحمر والأخضر. ومصباح LED أزرق فقط. وبعد ذلك سيخمن شخص ما على الفور: "كل شيء واضح - هناك مصدر للأزرق ، والنقاط ستعطي اللون الأخضر والأحمر ، لذلك سنحصل على نفس نموذج RGB!". لكن لا ، تعمل التكنولوجيا بشكل مختلف.

يجب أن نتذكر أن "النقاط الكمومية" موجودة على ورقة واحدة كبيرة ولا يتم تقسيمها إلى وحدات بكسل فرعية ، ولكنها تختلط مع بعضها البعض. عندما يضيء الصمام الثنائي الأزرق على الفيلم ، فإن النقاط تنبعث من الأحمر والأخضر ، كما ذكر أعلاه ، وفقط عندما تختلط كل هذه الألوان الثلاثة يكون هذا هو المصدر المثالي للضوء الأبيض. واسمحوا لي أن أذكركم بأن الضوء الأبيض عالي الجودة خلف المصفوفة يساوي في الواقع إعادة إنتاج الألوان الطبيعية لعيون المشاهد على الجانب الآخر. كحد أدنى ، لأنك لست مضطرًا إلى إجراء تصحيح بفقدان أو تشويه الطيف.

لا يزال تلفزيون LCD

سيكون التدرج اللوني الواسع مفيدًا بشكل خاص لأجهزة تلفزيون 4K الجديدة واختزال الألوان 4: 4: 4 الذي نتوقعه في المعايير المستقبلية. كل هذا جيد وجيد ، لكن تذكر أن النقاط الكمومية لا تحل المشكلات الأخرى مع أجهزة تلفزيون LCD. على سبيل المثال ، يكاد يكون من المستحيل الحصول على اللون الأسود المثالي ، لأن البلورات السائلة (تلك "الستائر" نفسها ، كما كتبت أعلاه) غير قادرة على حجب الضوء تمامًا. يمكنهم فقط "التستر" ، لكن ليس الإغلاق التام.

تم تصميم النقاط الكمومية لتحسين إعادة إنتاج الألوان ، وسيؤدي ذلك إلى تحسين انطباع الصورة بشكل كبير. لكن هذه ليست تقنية OLED أو بلازما ، حيث تستطيع وحدات البكسل قطع مصدر الضوء تمامًا. ومع ذلك ، فإن أجهزة تلفزيون البلازما متقاعدة ولا تزال OLED باهظة الثمن بالنسبة لمعظم المستهلكين ، لذلك من الجيد أن تعرف أن الشركات المصنعة ستقدم لنا قريبًا نوعًا جديدًا من تلفزيونات LED التي ستظهر بشكل أفضل.

ما هي تكلفة "تلفزيون الكم"؟

تعد أجهزة تلفزيون QD الأولى من سوني وسامسونج وإل جي بالعرض في معرض CES 2015 في يناير. ومع ذلك ، فإن TLC Multimedia في الصين تتقدم على الحزمة ، فقد أصدرت بالفعل تلفزيون 4K QD ويقولون إنها على وشك الوصول إلى المتاجر في الصين.

تلفزيون QD مقاس 55 بوصة من TCL والذي تم عرضه في IFA 2014

في الوقت الحالي ، من المستحيل تحديد التكلفة الدقيقة لأجهزة التلفزيون ذات التكنولوجيا الجديدة ، فنحن ننتظر البيانات الرسمية. لقد كتبوا أن تكلفة QD ستكون أرخص بثلاث مرات من تكلفة OLED ، وهي مماثلة في الوظائف. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التكنولوجيا ، كما يقول العلماء ، غير مكلفة للغاية. بناءً على ذلك ، يمكن للمرء أن يأمل في أن تكون نماذج Quantum Dot متاحة على نطاق واسع وأن تحل ببساطة محل النماذج المعتادة. ومع ذلك ، أعتقد أن الأسعار في البداية ستظل تتضخم. كما هو الحال عادة مع جميع التقنيات الجديدة.

14 يونيو 2018

النقطة الكمومية هي جزء من موصل أو شبه موصل تكون حاملات شحنته (إلكترونات أو ثقوب) محدودة في الفضاء في جميع الأبعاد الثلاثة. يجب أن يكون حجم النقطة الكمومية صغيرًا جدًا بحيث تكون التأثيرات الكمية كبيرة. يتم تحقيق ذلك إذا كانت الطاقة الحركية للإلكترون أكبر بشكل ملحوظ من جميع مقاييس الطاقة الأخرى: أولاً وقبل كل شيء ، تكون أكبر من درجة الحرارة المعبر عنها بوحدات الطاقة. تم تصنيع النقاط الكمومية لأول مرة في أوائل الثمانينيات من قبل أليكسي إكيموف في مصفوفة زجاجية ولويس إي بروس في محاليل غروانية.

مصطلح "النقطة الكمومية" صاغه مارك ريد.

طيف الطاقة لنقطة الكم منفصل ، والمسافة بين مستويات الطاقة الثابتة لحامل الشحنة تعتمد على حجم النقطة الكمومية نفسها كـ-/ (2md ^ 2) ، حيث:
ħ هو انخفاض ثابت بلانك ؛
د هو حجم النقطة المميزة ؛
م هي الكتلة الفعالة للإلكترون عند نقطة ما

بعبارات بسيطة ، النقطة الكمومية هي أشباه موصلات تعتمد خصائصها الكهربائية على حجمها وشكلها.
على سبيل المثال ، عندما ينتقل إلكترون إلى مستوى طاقة أقل ، ينبعث فوتون ؛ نظرًا لأنه من الممكن التحكم في حجم النقطة الكمومية ، فمن الممكن أيضًا تغيير طاقة الفوتون المنبعث ، مما يعني تغيير لون الضوء المنبعث من النقطة الكمومية.

أنواع النقاط الكمومية
هناك نوعان:
نقاط الكم فوق المحور
النقاط الكمومية الغروية.

في الواقع ، تم تسميتهم وفقًا لأساليب إنتاجهم. لن أتحدث عنها بالتفصيل بسبب كثرة المصطلحات الكيميائية. سأضيف فقط أنه بمساعدة التركيب الغرواني ، من الممكن الحصول على بلورات نانوية مغلفة بطبقة من الجزيئات النشطة على السطح الممتصة. وبالتالي ، فهي قابلة للذوبان في المذيبات العضوية ، وبعد التعديل أيضًا في المذيبات القطبية.

بناء النقاط الكمومية
عادةً ما تكون النقطة الكمومية عبارة عن بلورة شبه موصلة تتحقق فيها التأثيرات الكمية. يشعر الإلكترون في مثل هذه البلورة وكأنه في جهد ثلاثي الأبعاد جيدًا ولديه العديد من مستويات الطاقة الثابتة. وفقًا لذلك ، عند الانتقال من مستوى إلى آخر ، يمكن للنقطة الكمومية أن تصدر فوتونًا. مع كل هذا ، من السهل التحكم في التحولات عن طريق تغيير حجم الكريستال. من الممكن أيضًا إلقاء إلكترون إلى مستوى طاقة مرتفع وتلقي الإشعاع من الانتقال بين المستويات الأدنى ، ونتيجة لذلك ، نحصل على اللمعان. في الواقع ، كانت ملاحظة هذه الظاهرة بمثابة الملاحظة الأولى للنقاط الكمومية.

الآن حول العروض
بدأ تاريخ الشاشات الكاملة في فبراير 2011 ، عندما قدمت Samsung Electronics تطوير شاشة ملونة كاملة بناءً على النقاط الكمية QLED. كانت عبارة عن شاشة مقاس 4 بوصات مدفوعة بمصفوفة نشطة ، أي يمكن تشغيل وإيقاف كل بكسل نقطة كمية ملونة بواسطة ترانزستور بغشاء رفيع.

لإنشاء نموذج أولي ، يتم تطبيق طبقة من محلول النقطة الكمومية على لوح السيليكون ويتم رش مذيب عليها. بعد ذلك ، يتم ضغط ختم مطاطي بسطح مشط في طبقة النقاط الكمومية ، ويتم فصله وختمه على الزجاج أو البلاستيك المرن. هذه هي الطريقة التي يتم بها ترسيب شرائط النقاط الكمومية على الركيزة. في شاشات العرض الملونة ، يحتوي كل بكسل على بكسل فرعي أحمر أو أخضر أو ​​أزرق. وفقًا لذلك ، يتم استخدام هذه الألوان بكثافة مختلفة للحصول على أكبر عدد ممكن من الظلال.

كانت الخطوة التالية في التطور هي نشر مقال بقلم علماء من المعهد الهندي للعلوم في بنغالور. حيث تم وصف النقاط الكمومية بأن اللمعان ليس فقط باللون البرتقالي ، ولكن أيضًا في النطاق من الأخضر الداكن إلى الأحمر.

لماذا تعتبر شاشة LCD أسوأ؟
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين شاشة QLED وشاشة LCD في أن الأخير يمكنه تغطية 20-30٪ فقط من نطاق الألوان. أيضًا ، في تلفزيونات QLED ، ليست هناك حاجة لاستخدام طبقة مع مرشحات الضوء ، لأن البلورات ، عند تطبيق الجهد عليها ، تبعث دائمًا الضوء بطول موجة محدد جيدًا ، ونتيجة لذلك ، بنفس قيمة اللون.

تتكون شاشات الكريستال السائل من 5 طبقات: المصدر هو الضوء الأبيض المنبعث من مصابيح LED ، والذي يمر عبر عدة مرشحات مستقطبة. تتحكم المرشحات الموجودة في الأمام والخلف ، جنبًا إلى جنب مع البلورات السائلة ، في تدفق الضوء العابر ، مما يقلل أو يزيد من سطوعه. ويرجع ذلك إلى ترانزستورات البكسل ، والتي تؤثر على كمية الضوء الذي يمر عبر المرشحات (أحمر ، أخضر ، أزرق).

يعطي اللون المكون لهذه البيكسلات الفرعية الثلاثة ، والتي يتم تطبيق المرشحات عليها ، قيمة لونية معينة للبكسل. يعتبر مزج الألوان "سلسًا" تمامًا ، ولكن من المستحيل الحصول على أحمر نقي أو أخضر أو ​​أزرق بهذه الطريقة. حجر العثرة عبارة عن مرشحات لا تمر بموجة واحدة بطول معين ، ولكن بعدد من الأطوال الموجية المختلفة. على سبيل المثال ، يمر الضوء البرتقالي أيضًا عبر مرشح أحمر.

تجدر الإشارة إلى أن نطاق النقاط الكمومية لا يقتصر على شاشات LED ، من بين أشياء أخرى ، يمكن استخدامها في ترانزستورات التأثير الميداني ، والخلايا الضوئية ، وثنائيات الليزر ، وإمكانية استخدامها في الطب والحوسبة الكمومية. درس.

ينبعث ضوء LED عند تطبيق الجهد عليه. نتيجة لذلك ، يتم نقل الإلكترونات (هـ) من مادة من النوع N إلى مادة من النوع P. تحتوي المادة من النوع N على ذرات بها عدد زائد من الإلكترونات. في مادة من النوع P ، توجد ذرات تفتقر إلى الإلكترونات. عندما تصطدم الإلكترونات الزائدة بالأخير ، فإنها تعطي طاقة في شكل ضوء. في بلورات أشباه الموصلات العادية ، يكون هذا عادةً ضوءًا أبيض ناتجًا عن العديد من الأطوال الموجية المختلفة. والسبب في ذلك هو أن الإلكترونات يمكن أن تكون في مستويات طاقة مختلفة. نتيجة لذلك ، تمتلك الفوتونات الناتجة (P) طاقات مختلفة ، والتي يتم التعبير عنها بأطوال موجية مختلفة من الإشعاع.

ثبات الضوء بالنقاط الكمومية
تستخدم أجهزة تلفزيون QLED النقاط الكمومية كمصدر للضوء - وهي عبارة عن بلورات يبلغ حجمها بضعة نانومترات فقط. في هذه الحالة ، تختفي الحاجة إلى طبقة بها مرشحات ضوئية ، لأنه عند تطبيق الجهد عليها ، تصدر البلورات الضوء دائمًا بطول موجة محدد جيدًا ، وبالتالي قيمة اللون. يتحقق هذا التأثير من خلال الحجم الضئيل لنقطة الكم ، حيث يكون الإلكترون ، كما هو الحال في الذرة ، قادرًا على التحرك فقط في مساحة محدودة. كما هو الحال في الذرة ، يمكن لإلكترون النقطة الكمومية أن يشغل فقط مستويات طاقة محددة بدقة. نظرًا لحقيقة أن مستويات الطاقة هذه تعتمد أيضًا على المادة ، يصبح من الممكن ضبط الخصائص البصرية للنقاط الكمومية عن قصد. على سبيل المثال ، للحصول على اللون الأحمر ، يتم استخدام بلورات من سبيكة من الكادميوم والزنك والسيلينيوم (CdZnSe) ، والتي تبلغ أبعادها حوالي 10-12 نانومتر. سبيكة من الكادميوم والسيلينيوم مناسبة للألوان الأصفر والأخضر والأزرق ، ويمكن أيضًا الحصول على الأخير باستخدام بلورات نانوية من مركب الزنك والكبريت بحجم 2-3 نانومتر.

يعد الإنتاج الضخم للبلورات الزرقاء أمرًا صعبًا ومكلفًا للغاية ، لذا فإن التلفزيون الذي قدمته سوني في عام 2013 ليس "أصيلًا" من تلفزيون QLED استنادًا إلى النقاط الكمومية. يوجد في الجزء الخلفي من شاشات العرض التي تنتجها طبقة من المصابيح الزرقاء التي يمر ضوءها عبر طبقة من البلورات النانوية الحمراء والخضراء. نتيجة لذلك ، في الواقع ، يستبدلون المرشحات الشائعة حاليًا. بفضل هذا ، تم زيادة التدرج اللوني مقارنة بأجهزة تلفزيون LCD التقليدية بنسبة 50٪ ، لكنه لا يصل إلى مستوى شاشة QLED "النظيفة". تتمتع الأخيرة ، بالإضافة إلى التدرج اللوني الأوسع ، بميزة أخرى: فهي توفر الطاقة ، حيث لا توجد حاجة لطبقة ذات مرشحات ضوئية. نتيجة لذلك ، يتلقى الجزء الأمامي من الشاشة في تلفزيونات QLED ضوءًا أكثر من أجهزة التلفزيون التقليدية ، والتي تسمح فقط بدخول حوالي 5٪ من ناتج الضوء.

قام العلماء ببناء نظرية لتشكيل فئة واسعة النطاق من النقاط الكمومية ، والتي يتم الحصول عليها من المركبات التي تحتوي على الكادميوم والسيلينيوم. على مدى 30 عامًا ، اعتمد التطور في هذا الاتجاه بشكل كبير على التجربة والخطأ. نُشر المقال في مجلة Nature Communications.

النقاط الكمومية هي أشباه موصلات بلورية نانوية الحجم ذات خصائص بصرية وإلكترونية رائعة وجدت بالفعل تطبيقات في العديد من مجالات البحث والتكنولوجيا. لديهم خصائص وسيطة بين أشباه الموصلات السائبة والجزيئات الفردية. ومع ذلك ، في عملية تخليق هذه الجسيمات النانوية ، لا تزال هناك نقاط غير واضحة ، لأن العلماء لم يتمكنوا من فهم كيفية تفاعل الكواشف ، وبعضها شديد السمية.

سوف يغير تود كروس ولي فرينيت من جامعة روتشستر ذلك. على وجه الخصوص ، وجدوا أن المركبات السامة تظهر أثناء تفاعل التوليف ، والتي تم استخدامها للحصول على النقاط الكمومية الأولى منذ 30 عامًا. يقول كراوس: "لقد عدنا أساسًا إلى" المستقبل "باكتشافنا". - اتضح أن الكواشف الأكثر أمانًا المستخدمة اليوم تتحول إلى نفس المواد التي حاول تجنبها منذ عقود. هم ، بدورهم ، يتفاعلون مع تكوين النقاط الكمومية ".

أولاً ، سيقلل من مقدار التخمين الذي ينطوي عليه إنتاج النقاط الكمومية بناءً على الكادميوم أو السيلينيوم ، مما أدى إلى تناقضات وعدم إمكانية إعادة الإنتاج مما أعاق البحث عن التطبيقات الصناعية.
ثانيًا ، سيحذر الباحثين والشركات التي تعمل على تخليق النقاط الكمومية بكميات كبيرة من أنهم لا يزالون يتعاملون مع مواد خطرة مثل مركبات سيلينيد الهيدروجين ومجمعات الألكيل الكادميوم ، وإن كان ذلك ضمنيًا.
ثالثًا ، سيوضح الخواص الكيميائية للفوسفين المستخدم في العديد من العمليات لتركيب النقاط الكمومية في درجات حرارة عالية.

مصادر:

« النقاط الكمومية هي ذرات اصطناعية يمكن التحكم في خصائصها»

تشى. ألفيروف الحائز على جائزة نوبل عام 2000. في الفيزياء لتطوير الهياكل غير المتجانسة لأشباه الموصلات للإلكترونيات الضوئية عالية السرعة

النقاط الكمومية (QDs) هي كائنات نانوية معزولة تختلف خصائصها اختلافًا كبيرًا عن خصائص مادة سائبة من نفس التركيب. تجدر الإشارة على الفور إلى أن النقاط الكمومية هي نموذج رياضي أكثر من كونها أشياء حقيقية. وذلك بسبب استحالة تكوينه بشكل كامل الهياكل المعزولة - تتفاعل الجسيمات الصغيرة دائمًا مع البيئة ، سواء كانت في وسط سائل أو مصفوفة صلبة.

لفهم ماهية النقاط الكمومية وفهم هيكلها الإلكتروني ، تخيل مدرجًا يونانيًا قديمًا. تخيل الآن أن عرضًا رائعًا يتكشف على المسرح ، وأن الجمهور مليء بالأشخاص الذين جاءوا لمشاهدة الممثلين وهم يلعبون. لذلك اتضح أن سلوك الناس في المسرح يشبه من نواح كثيرة سلوك إلكترونات النقاط الكمية (QD). أثناء الأداء ، يتحرك الممثلون حول الساحة دون مغادرة القاعة ، ويتابع الجمهور أنفسهم الحدث من مقاعدهم ولا ينزلون إلى المسرح. الساحة هي المستويات المنخفضة المملوءة من النقطة الكمومية ، وتكون صفوف الجمهور متحمسة لمستويات إلكترونية ذات طاقة أعلى. في الوقت نفسه ، تمامًا كما يمكن أن يكون المشاهد في أي صف من القاعة ، فإن الإلكترون قادر على احتلال أي مستوى طاقة للنقطة الكمومية ، لكن لا يمكن تحديد موقعه بينهما. عند شراء تذاكر لأداء في شباك التذاكر ، حاول الجميع الحصول على أفضل المقاعد - في أقرب وقت ممكن من المسرح. في الواقع ، حسنًا ، من يريد الجلوس في الصف الأخير ، حيث لا يمكنك حتى رؤية وجه الممثل بالمنظار! لذلك ، عندما يجلس الجمهور قبل بدء الأداء ، تمتلئ جميع الصفوف السفلية من القاعة ، تمامًا كما هو الحال في حالة الثبات QD ، التي تحتوي على أقل طاقة ، تشغل الإلكترونات مستويات الطاقة المنخفضة تمامًا. ومع ذلك ، أثناء الأداء ، قد يترك أحد المتفرجين مكانه ، على سبيل المثال ، لأن الموسيقى على المسرح تعزف بصوت عالٍ جدًا أو مجرد جار غير سار تم القبض عليه ، وانتقل إلى صف علوي مجاني. هذه هي الطريقة التي يُجبر بها إلكترون في نقطة كمومية تحت تأثير عمل خارجي على الانتقال إلى مستوى طاقة أعلى ، لا تشغله إلكترونات أخرى ، مما يؤدي إلى تكوين حالة مثارة لنقطة كمومية. ربما تتساءل ماذا يحدث لذلك المكان الفارغ على مستوى الطاقة حيث كان الإلكترون في السابق - ما يسمى بالثقب؟ اتضح أنه من خلال تفاعلات الشحن ، يظل الإلكترون متصلاً به ويمكنه العودة في أي لحظة ، تمامًا كما يمكن للمشاهد الذي انتقل إلى مكانه دائمًا أن يغير رأيه ويعود إلى المكان المشار إليه في تذكرته. زوج من "ثقب الإلكترون" يسمى "اكسيتون" من الكلمة الإنجليزية "متحمس" ، والتي تعني "متحمس". الهجرة بين مستويات الطاقة في QD ، على غرار صعود أو نزول أحد المتفرجين ، مصحوبة بتغير في طاقة الإلكترون ، والذي يتوافق مع امتصاص أو انبعاث كمية الضوء (الفوتون) عند الإلكترون يمر إلى مستوى أعلى أو أدنى ، على التوالي. يؤدي سلوك الإلكترونات في نقطة الكم الموصوفة أعلاه إلى طيف طاقة منفصل ، غير معهود للكائنات الكبيرة ، والتي غالبًا ما تسمى QDs بالذرات الاصطناعية التي تكون فيها مستويات الإلكترون منفصلة.

تحدد قوة (طاقة) الرابطة بين الثقب والإلكترون نصف قطر الإكسيتون ، وهو كمية مميزة لكل مادة. إذا كان حجم الجسيم أصغر من نصف قطر الإكسيتون ، فإن الإكسيتون يكون محدودًا في الفضاء حسب حجمه ، وتتغير طاقة الارتباط المقابلة بشكل كبير مقارنةً بالمادة السائبة (انظر "تأثير الحجم الكمي"). ليس من الصعب تخمين أنه إذا تغيرت طاقة الإكسيتون ، فإن طاقة الفوتون المنبعثة من النظام أثناء انتقال الإلكترون المثير إلى مكانه الأصلي تتغير أيضًا. وبالتالي ، من خلال الحصول على المحاليل الغروية أحادية الانتشار للجسيمات النانوية ذات الأحجام المختلفة ، من الممكن التحكم في طاقات الانتقال في نطاق واسع من الطيف البصري.

كانت النقاط الكمومية الأولى عبارة عن جسيمات نانوية معدنية ، تم تصنيعها في مصر القديمة لتلوين أكواب مختلفة (بالمناسبة ، تم الحصول على نجوم الياقوت في الكرملين باستخدام تقنية مماثلة) ، على الرغم من أن النقاط الكمومية الأكثر تقليدية والمعروفة على نطاق واسع هي أشباه الموصلات من الجاليوم. نمت الجسيمات على ركائز ومحاليل غروانية من بلورات CdSe النانوية. في الوقت الحالي ، هناك العديد من الطرق للحصول على النقاط الكمومية ، على سبيل المثال ، يمكن "قطعها" من طبقات رقيقة من "الهياكل غير المتجانسة" لأشباه الموصلات باستخدام "الطباعة الحجرية النانوية" ، أو يمكن تشكيلها تلقائيًا في شكل شوائب بحجم النانو الهياكل المادية شبه الموصلة من نوع ما في مصفوفة من نوع آخر. باستخدام طريقة "epitaxy الحزمة الجزيئية" مع اختلاف كبير في معلمات وحدة الخلية من الركيزة والطبقة المترسبة ، من الممكن تحقيق نمو النقاط الكمومية الهرمية على الركيزة ، لدراسة الخصائص الذي حصل الأكاديمي Zh.I. Alferov على جائزة نوبل. من خلال التحكم في شروط عمليات التخليق ، من الممكن نظريًا الحصول على نقاط كمومية بأحجام معينة مع الخصائص المرغوبة.

لا تزال النقاط الكمومية موضوعًا بحثيًا "صغيرًا" ، لكن الاحتمالات الواسعة لاستخدامها في تصميم الليزر وعروض الجيل الجديد واضحة تمامًا بالفعل. تُستخدم الخصائص البصرية لـ QDs في أكثر المجالات العلمية غير المتوقعة ، والتي تتطلب خصائص الإنارة القابلة للضبط للمادة ، على سبيل المثال ، في البحث الطبي ، من الممكن "إلقاء الضوء" على الأنسجة المريضة بمساعدتهم. يرى الأشخاص الذين يحلمون بـ "أجهزة الكمبيوتر الكمومية" أن النقاط الكمومية مرشحة واعدة لبناء الكيوبتات.

المؤلفات

ن. كوباياشي. مقدمة في تكنولوجيا النانو. م: بينوم. معمل المعرفة ، 2007 ، 134 ص.

في يا. ديميكوفسكي ، ج. Vugalter فيزياء الهياكل الكمية منخفضة الأبعاد. م: الشعارات ، 2000.

أي مادة ذات حجم مجهري هي جسيمات نانوية ، وهي مادة يستخدمها باحثو تكنولوجيا النانو لتطوير وإنشاء تقنيات جديدة تعتمد على تطبيق العناصر في هذا الشكل الصغير. نقرأ بعناية ، لأنه سيكون من الضروري الخوض قليلاً في جوهر النص.

النقاط الكمومية هي جزيئات نانوية مصنوعة من أي مادة شبه موصلة ، مثل السيليكون أو سيلينيد الكادميوم أو كبريتيد الكادميوم أو زرنيخيد الإنديوم ، والتي تتوهج بلون معين عند إضاءتها بالضوء.

يعتمد اللون الذي تتوهج به على حجم الجسيمات النانوية. من خلال وضع كميات بأحجام مختلفة ، من الممكن تحقيق ألوان حمراء وخضراء وزرقاء في كل بكسل من شاشة العرض ، مما يجعل من الممكن إنشاء مجموعة كاملة من الألوان في هذه البكسلات (يتم الحصول على أي لون موجود عن طريق المزج هذه الألوان).

عندما تضيء النقاط الكمومية بضوء الأشعة فوق البنفسجية ، تحصل بعض الإلكترونات على طاقة كافية للتخلص من الذرات. تسمح لهم هذه القدرة بالتحرك حول الجسيمات النانوية ، مما يؤدي إلى إنشاء نطاق توصيل تكون فيه الإلكترونات حرة في التحرك عبر المادة وتوصيل الكهرباء.

عندما تنزل الإلكترونات إلى مدار خارجي حول ذرة (نطاق التكافؤ) ، فإنها تبعث الضوء. يعتمد لون هذا الضوء على فرق الطاقة بين شريط التوصيل وشريط التكافؤ.

كلما كانت الجسيمات النانوية أصغر ، زاد فرق الطاقة بين شريط التكافؤ وشريط التوصيل ، مما ينتج عنه لون أزرق أعمق. بالنسبة لجسيمات نانوية أكبر ، يكون الفرق في الطاقة بين نطاق التكافؤ وشريط التوصيل أقل ، مما يؤدي إلى إزاحة اللمعان نحو اللون الأحمر.

النقاط والعروض الكمومية

بالنسبة لشاشات الكريستال السائل ، فإن الفوائد عديدة. لنلقِ نظرة على أهم الميزات وأكثرها إثارة للاهتمام التي تلقتها شاشات LCD من النقاط الكمومية.

ذروة سطوع أعلى

أحد الأسباب التي تجعل الشركات المصنعة متحمسة للغاية بشأن النقاط الكمومية هي القدرة على إنشاء شاشات ذات ذروة سطوع أعلى بكثير من التقنيات الأخرى. في المقابل ، توفر ذروة السطوع المتزايدة فرصًا أكبر لاستخدام HDR و Dolby Vision.

Dolby Vision هو معيار فيديو له نطاق ديناميكي ممتد ، أي اختلاف كبير جدًا في الضوء بين أكثر النقاط سطوعًا وظلامًا على الشاشة ، مما يجعل الصورة أكثر واقعية وتباينًا.

إذا لم تكن على علم ، فإن المطورين يحاولون باستمرار لعب دور الرب الإله وإنشاء ما خلقه (حسنًا ، أو من خلقه من حولنا ، ربما الكون؟) ، فقط لنقله إلى الشاشة.

وهذا يعني ، على سبيل المثال ، أن سطوع السماء العادية في يوم صافٍ يبلغ حوالي 20000 شمعة (وحدات سطوع) ، في حين أن أفضل أجهزة التلفزيون يمكن أن توفر سطوعًا أقل بحوالي 10. لذلك ، لا يزال معيار Dolby Vision متقدمًا على البقية ، لكنها لا تزال بعيدة جدًا عن Creator :)

وفقًا لذلك ، تعد شاشات النقاط الكمومية خطوة أخرى نحو صورة أكثر إشراقًا. ربما في يوم من الأيام سنكون قادرين على رؤية شروق و / أو غروب شمس حقيقيين تقريبًا ، وربما عجائب الطبيعة الفريدة الأخرى ، دون مغادرة المنزل.

أفضل استنساخ للون

فائدة كبيرة أخرى للنقاط الكمومية هي تحسين دقة الألوان. نظرًا لأن كل بكسل يحتوي على CTs باللون الأحمر والأزرق والأخضر ، فإنه يمنحك الوصول إلى لوحة كاملة من الألوان ، والتي بدورها تتيح لك تحقيق قدر لا يصدق من الظلال من أي لون.

تم تحسين عمر البطارية للأجهزة المحمولة

لا تعد الشاشات ذات النقاط الكمية بجودة صور فائقة فحسب ، بل تعد أيضًا باستهلاك منخفض للطاقة بشكل استثنائي.

النقاط الكمية و QLED من سامسونج

تلفزيونات النقاط الكمومية من سامسونج ، أو ببساطة ، ليست في الحقيقة نقطة كمومية في الفهم الصحيح لهذه التكنولوجيا. QLED هو أكثر من هجين ، تقاطع بين النقاط الكمومية وشاشات LED. لماذا ا؟ نظرًا لأن أجهزة التلفزيون هذه لا تزال تستخدم الإضاءة الخلفية بتقنية LED ، وفي الشاشة الحقيقية على النقاط الكمومية ، يجب إنشاء الضوء بدقة من خلال النقاط.

لذلك ، حتى لو كانت أجهزة التلفاز الجديدة من كوريا الجنوبية العملاقة تعرض أفضل من شاشات LED التقليدية ، فإنها لا تزال ليست تلفزيونات نقاط الكم ، ولكنها أجهزة تلفزيون بنقطة الكم بدلاً من مرشح الضوء.

تعليقات:

إيفان إيفانوفيتش