Puncte cuantice: imprimare și alte aplicații. Quantum dots (Quantum dot LED) - o nouă tehnologie pentru producția de afișaje
Pentru a vă face o idee generală asupra proprietăților obiectelor materiale și a legilor în conformitate cu care „trăiește” macrolumea familiară tuturor, nu este deloc necesar să absolviți o instituție de învățământ superior, deoarece în fiecare zi toată lumea este în faţa manifestărilor lor. Deși recent a fost menționat tot mai mult principiul similarității, susținătorii căruia susțin că lumile micro și macro sunt foarte asemănătoare, totuși, există o diferență. Acest lucru este vizibil mai ales la dimensiuni foarte mici ale corpurilor și obiectelor. Punctele cuantice, uneori numite nanopuncte, sunt doar unul dintre aceste cazuri.
mai putin decat mai putin
Să ne amintim de structura clasică a atomului, de exemplu, hidrogenul. Include un nucleu, care, datorită prezenței unui proton încărcat pozitiv în el, are un plus, adică +1 (deoarece hidrogenul este primul element din tabelul periodic). În consecință, un electron (-1) este situat la o anumită distanță de nucleu, formând un înveliș de electroni. Evident, dacă creșteți valoarea, atunci aceasta va presupune adăugarea de noi electroni (reamintim: în general, atomul este neutru din punct de vedere electric).
Distanța dintre fiecare electron și nucleu este determinată de nivelurile de energie ale particulelor încărcate negativ. Fiecare orbită este constantă, configurația totală a particulelor determină materialul. Electronii pot sări de pe o orbită pe alta, absorbind sau eliberând energie prin fotoni de o frecvență sau alta. Cele mai îndepărtate orbite conțin electroni cu nivelul maxim de energie. Interesant este că fotonul în sine prezintă o natură duală, fiind definit simultan ca o particulă fără masă și radiație electromagnetică.
Cuvântul „foton” în sine este de origine greacă, înseamnă „particulă de lumină”. Prin urmare, se poate argumenta că atunci când un electron își schimbă orbita, el absoarbe (eliberează) o cantitate de lumină. În acest caz, este adecvat să explicăm semnificația unui alt cuvânt - „cuantică”. De fapt, nu este nimic complicat. Cuvântul provine din latinescul „quantum”, care se traduce literalmente ca cea mai mică valoare a oricărei mărimi fizice (aici - radiație). Să explicăm cu un exemplu ce este o cuantă: dacă, la măsurarea greutății, cea mai mică cantitate indivizibilă a fost un miligram, atunci s-ar putea numi așa. Așa se explică atât de simplu un termen aparent complicat.
Punctele cuantice explicate
Adesea, în manuale puteți găsi următoarea definiție pentru un nanodot - aceasta este o particulă extrem de mică din orice material, a cărei dimensiune este comparabilă cu valoarea lungimii de undă emisă a unui electron (spectrul complet acoperă limita de la 1 la 10). nanometri). În interiorul acestuia, valoarea unui singur purtător de sarcină negativă este mai mică decât în exterior, astfel încât electronul este limitat în mișcare.
Cu toate acestea, termenul „puncte cuantice” poate fi explicat diferit. Un electron care a absorbit un foton „se ridică” la un nivel de energie mai înalt, iar în locul său se formează un „deficit” - așa-numita gaură. În consecință, dacă electronul are sarcină -1, atunci gaura are +1. În efortul de a reveni la starea stabilă anterioară, electronul emite un foton. Conexiunea purtătorilor de sarcină „-” și „+” în acest caz se numește exciton și în fizică este înțeleasă ca o particulă. Mărimea sa depinde de nivelul de energie absorbită (orbita mai înaltă). Punctele cuantice sunt tocmai aceste particule. Frecvența energiei emise de un electron depinde direct de dimensiunea particulelor materialului dat și de exciton. Trebuie remarcat faptul că percepția culorii luminii de către ochiul uman se bazează pe diferite
LED, LCD, OLED, 4K, UHD... s-ar părea că ultimul lucru de care are nevoie industria TV în acest moment este un alt acronim tehnic. Dar progresul nu poate fi oprit, mai întâlniți câteva litere - QD (sau Quantum Dot). Observ imediat că termenul „puncte cuantice” în fizică are un sens mai larg decât este necesar pentru televizoare. Dar, în lumina modei actuale pentru tot ceea ce este nanofizic, marketerii marilor corporații au început fericiți să aplice acest concept științific dificil. Prin urmare, am decis să îmi dau seama ce fel de puncte cuantice sunt acestea și de ce toată lumea va dori să cumpere un televizor QD.
În primul rând, puțină știință într-o formă simplificată. Un „punct cuantic” este un semiconductor ale cărui proprietăți electrice depind de dimensiunea și forma sa (wiki). Trebuie să fie atât de mic încât efectele mărimii cuantice să fie pronunțate. Și aceste efecte sunt reglementate chiar de dimensiunea acestui punct, adică. din „dimensiuni”, dacă acest cuvânt este aplicabil unor obiecte atât de mici, energia emisă, de exemplu, fotonul depinde - de fapt, de culoare.
Quantum-Dot-TV LG, care va fi afișat pentru prima dată la CES 2015 În termeni și mai mulți consumatori, acestea sunt particule minuscule care vor începe să strălucească într-un anumit spectru dacă sunt iluminate. Dacă sunt aplicate și „frecate” pe o peliculă subțire, apoi iluminate, filmul va începe să luminesce puternic. Esența tehnologiei este că dimensiunea acestor puncte este ușor de controlat, ceea ce înseamnă să obțineți culoarea exactă.
Gama de culori a televizoarelor QD, conform QD Vision, este de 1,3 ori mai mare decât televizoarele convenționale și acoperă în întregime NTSC De fapt, nu este atât de important ce nume aleg marile corporații, principalul este ce ar trebui să dea consumatorului. Și aici promisiunea este destul de simplă - reproducere îmbunătățită a culorilor. Pentru a înțelege mai bine cum îl vor oferi „punctele cuantice”, trebuie să vă amintiți designul afișajului LCD.
Lumină sub cristal
Un televizor LCD (LCD) este format din trei părți principale: o lumină de fundal albă, filtre de culoare (separând strălucirea în roșu, albastru și verde) și o matrice cu cristale lichide. Acesta din urmă arată ca o grilă de ferestre minuscule - pixeli, care, la rândul lor, sunt formați din trei sub-pixeli (celule). Cristalele lichide, precum jaluzelele, pot bloca fluxul luminos sau, dimpotrivă, se pot deschide complet, există și stări intermediare.
PlasmaChem GmbH produce „puncte cuantice” în kilograme și le ambalează în flacoane Când lumina albă emisă de LED-uri (LED, astăzi este deja dificil să găsești un televizor cu lămpi fluorescente, așa cum era acum câțiva ani), de exemplu, trece printr-un pixel în care celulele verzi și roșii sunt închise, apoi vedem albastru. Se modifică gradul de „participare” fiecărui pixel RGB și astfel se obține o imagine color.
Dimensiunea punctelor cuantice și spectrul în care emit lumină, potrivit Nanosys După cum vă puteți imagina, sunt necesare cel puțin două lucruri pentru a asigura calitatea culorii unei imagini: filtre de culoare precise și iluminarea de fundal albă potrivită, de preferință cu un spectru larg. Doar cu acesta din urmă, LED-urile au o problemă.
În primul rând, nu sunt de fapt albi, în plus, au un spectru de culori foarte îngust. Adică, spectrul de culoare albă este realizat prin acoperiri suplimentare - există mai multe tehnologii, așa-numitele diode cu fosfor cu adaos de galben sunt folosite mai des decât altele. Dar chiar și această culoare „cvasi-albă” încă nu ajunge la ideal. Dacă o treci printr-o prismă (ca la o lecție de fizică la școală), nu se va descompune în toate culorile curcubeului de aceeași intensitate, așa cum se întâmplă cu lumina soarelui. Roșul, de exemplu, va apărea mult mai slab decât verdele și albastrul.
Așa arată spectrul de iluminare tradițională cu LED. După cum puteți vedea, tonul de albastru este mult mai intens, iar verdele și roșul sunt acoperite neuniform de filtrele cu cristale lichide (linii de pe grafic) Inginerii, desigur, încearcă să repare situația și să vină cu soluții. De exemplu, puteți reduce nivelurile de verde și albastru în setările televizorului, dar acest lucru va afecta luminozitatea generală - imaginea va deveni mai palidă. Așadar, toți producătorii căutau o sursă de lumină albă, a cărei degradare ar avea ca rezultat un spectru uniform cu culori de aceeași saturație. Aici punctele cuantice vin în ajutor.
puncte cuantice
Permiteți-mi să vă reamintesc că, dacă vorbim de televizoare, atunci „punctele cuantice” sunt cristale microscopice care luminesc atunci când lumina le lovește. Ele pot „arde” în multe culori diferite, totul depinde de dimensiunea punctului. Și având în vedere că acum oamenii de știință au învățat să-și controleze aproape perfect dimensiunea prin schimbarea numărului de atomi din care sunt compuși, poți obține strălucirea exactă a culorii de care ai nevoie. De asemenea, punctele cuantice sunt foarte stabile - nu se schimbă, ceea ce înseamnă că un punct creat pentru luminiscență cu o anumită nuanță de roșu va păstra aproape întotdeauna această nuanță.
Așa arată spectrul LED folosind filmul QD (conform QD Vision) Inginerii au venit cu ideea de a folosi tehnologia în felul următor: pe o peliculă subțire se aplică o acoperire „punct cuantic”, concepută să strălucească cu o anumită nuanță de roșu și verde. Și LED-ul este doar albastru. Și atunci cineva va ghici imediat: „totul este clar - există o sursă de albastru, iar punctele vor da verde și roșu, așa că vom obține același model RGB!”. Dar nu, tehnologia funcționează diferit.
Trebuie amintit că „punctele cuantice” sunt pe o singură foaie mare și nu sunt împărțite în subpixeli, ci pur și simplu amestecate între ele. Când o diodă albastră strălucește pe film, punctele emit roșu și verde, așa cum am menționat mai sus, și numai atunci când toate aceste trei culori sunt amestecate, aceasta este o sursă ideală de lumină albă. Și permiteți-mi să vă reamintesc că lumina albă de înaltă calitate din spatele matricei este de fapt egală cu reproducerea naturală a culorilor pentru ochii privitorului de pe cealaltă parte. Cel puțin, pentru că nu trebuie să faceți o corecție cu pierderea sau distorsiunea spectrului.
Este încă un televizor LCD
Gama largă de culori va fi utilă în special pentru noile televizoare 4K și pentru subeșantionarea culorilor 4:4:4 la care ne așteptăm în standardele viitoare. Totul este bine și bine, dar rețineți că punctele cuantice nu rezolvă alte probleme cu televizoarele LCD. De exemplu, este aproape imposibil să obțineți un negru perfect, deoarece cristalele lichide (aceleași „jaluzele”, așa cum am scris mai sus) nu sunt capabile să blocheze complet lumina. Se pot „acoperi”, dar nu se pot închide complet.
Punctele cuantice sunt concepute pentru a îmbunătăți reproducerea culorilor, iar acest lucru va îmbunătăți semnificativ impresia imaginii. Dar aceasta nu este tehnologie OLED sau plasmă, unde pixelii sunt capabili să întrerupă complet alimentarea cu lumină. Cu toate acestea, televizoarele cu plasmă sunt retrase, iar OLED-ul este încă prea scump pentru majoritatea consumatorilor, așa că este bine de știut că producătorii ne vor oferi în curând un nou tip de televizor LED care se va afișa mai bine.
Cât costă un „TV cuantic”?
Primele televizoare QD Sony, Samsung și LG promit să apară la CES 2015 în ianuarie. Cu toate acestea, TLC Multimedia din China este înaintea pachetului, au lansat deja un televizor 4K QD și spun că este pe cale să ajungă în magazinele din China.
Televizorul TCL de 55 inchi QD prezentat la IFA 2014 Momentan, este imposibil să numim costul exact al televizoarelor cu tehnologie nouă, așteptăm declarații oficiale. Ei au scris că costul QD va fi de trei ori mai ieftin decât cel al OLED, similar ca funcționalitate. În plus, tehnologia, după cum spun oamenii de știință, este destul de ieftină. Pe baza acestui fapt, se poate spera că modelele Quantum Dot vor fi disponibile pe scară largă și le vor înlocui pur și simplu pe cele obișnuite. Totuși, cred că la început prețurile se vor umfla în continuare. Așa cum este de obicei cazul tuturor noilor tehnologii.
14 iunie 2018
Un punct cuantic este un fragment dintr-un conductor sau semiconductor ai cărui purtători de sarcină (electroni sau găuri) sunt limitate în spațiu în toate cele trei dimensiuni. Dimensiunea unui punct cuantic trebuie să fie atât de mică încât efectele cuantice să fie semnificative. Acest lucru se realizează dacă energia cinetică a electronului este vizibil mai mare decât toate celelalte scale de energie: în primul rând, este mai mare decât temperatura exprimată în unități de energie. Punctele cuantice au fost sintetizate pentru prima dată la începutul anilor 1980 de Alexei Ekimov într-o matrice de sticlă și Louis E. Brus în soluții coloidale.
Termenul „punct cuantic” a fost inventat de Mark Reed.
Spectrul de energie al unui punct cuantic este discret, iar distanța dintre nivelurile de energie staționară ale purtătorului de sarcină depinde de dimensiunea punctului cuantic în sine ca -ħ/(2md^2), unde:
ħ este constanta Planck redusă;
d este dimensiunea punctului caracteristic;
m este masa efectivă a unui electron într-un punct
În termeni simpli, un punct cuantic este un semiconductor ale cărui caracteristici electrice depind de dimensiunea și forma sa.
De exemplu, atunci când un electron se deplasează la un nivel de energie mai scăzut, este emis un foton; deoarece este posibil să se controleze dimensiunea punctului cuantic, este posibil să se schimbe și energia fotonului emis, ceea ce înseamnă schimbarea culorii luminii emise de punctul cuantic.
Tipuri de puncte cuantice
Există două tipuri:
puncte cuantice epitaxiale;
puncte cuantice coloidale.
De fapt, ele sunt denumite astfel în funcție de metodele de producție. Nu voi vorbi despre ele în detaliu din cauza numărului mare de termeni chimici. Voi adăuga doar că cu ajutorul sintezei coloidale este posibil să se obțină nanocristale acoperite cu un strat de molecule tensioactive adsorbite. Astfel, sunt solubili în solvenți organici și, după modificare, și în solvenți polari.
Construcția punctelor cuantice
De obicei, un punct cuantic este un cristal semiconductor în care sunt realizate efecte cuantice. Un electron dintr-un astfel de cristal se simte ca și cum ar fi într-un put de potențial tridimensional și are multe niveluri de energie staționară. În consecință, atunci când se deplasează de la un nivel la altul, un punct cuantic poate emite un foton. Cu toate acestea, tranzițiile sunt ușor de controlat prin schimbarea dimensiunii cristalului. De asemenea, este posibil să aruncăm un electron la un nivel de energie ridicat și să primim radiații de la tranziția dintre nivelurile inferioare și, ca urmare, obținem luminescență. De fapt, observarea acestui fenomen a servit drept prima observare a punctelor cuantice.
Acum despre afișaje
Istoria afișajelor cu drepturi depline a început în februarie 2011, când Samsung Electronics a prezentat dezvoltarea unui afișaj color bazat pe puncte cuantice QLED. Era un afișaj de 4 inchi condus de o matrice activă, adică. fiecare pixel cu punct cuantic de culoare poate fi pornit și oprit de un tranzistor cu film subțire.
Pentru a crea un prototip, un strat de soluție de puncte cuantice este aplicat pe placa de silicon și este pulverizat un solvent. După aceea, o ștampilă de cauciuc cu o suprafață pieptene este presată în stratul de puncte cuantice, separată și ștanțată pe sticlă sau plastic flexibil. Așa se depun benzile de puncte cuantice pe substrat. În afișajele color, fiecare pixel conține un subpixel roșu, verde sau albastru. În consecință, aceste culori sunt folosite cu intensități diferite pentru a obține cât mai multe nuanțe.
Următorul pas în dezvoltare a fost publicarea unui articol de către oamenii de știință de la Institutul Indian de Știință din Bangalore. Unde au fost descrise puncte cuantice care luminesc nu numai în portocaliu, ci și în intervalul de la verde închis la roșu.
De ce LCD-ul este mai rău?
Principala diferență dintre un afișaj QLED și un LCD este că acesta din urmă poate acoperi doar 20-30% din gama de culori. De asemenea, în televizoarele QLED nu este nevoie să folosiți un strat cu filtre de lumină, deoarece cristalele, atunci când li se aplică tensiune, emit întotdeauna lumină cu o lungime de undă bine definită și, ca urmare, cu aceeași valoare a culorii.
Display-urile cu cristale lichide sunt formate din 5 straturi: sursa este lumina alba emisa de LED-uri, care trece prin mai multe filtre polarizante. Filtrele situate în față și în spate, împreună cu cristalele lichide, controlează fluxul de lumină care trece, reducând sau mărind luminozitatea acestuia. Acest lucru se datorează tranzistorilor pixeli, care afectează cantitatea de lumină care trece prin filtre (roșu, verde, albastru).
Culoarea formată a acestor trei sub-pixeli, pe care sunt aplicate filtrele, dă o anumită valoare de culoare a pixelului. Amestecarea culorilor este destul de „netedă”, dar pur și simplu este imposibil să obțineți roșu pur, verde sau albastru în acest fel. Piesa de poticnire sunt filtrele care trec nu o undă de o anumită lungime, ci un număr de lungimi de undă diferite. De exemplu, lumina portocalie trece și printr-un filtru roșu.
Este de remarcat faptul că sfera punctelor cuantice nu se limitează la monitoarele cu LED-uri, printre altele, acestea pot fi utilizate în tranzistoare cu efect de câmp, fotocelule, diode laser, iar posibilitatea utilizării lor în medicină și în calculul cuantic este, de asemenea, în curs de dezvoltare. studiat.
Un LED emite lumină atunci când i se aplică tensiune. Din această cauză, electronii (e) sunt transferați din materialul de tip N în materialul de tip P. Un material de tip N conține atomi cu un număr în exces de electroni. Într-un material de tip P, există atomi cărora le lipsesc electroni. Când electronii în exces îl lovesc pe cei din urmă, ei emit energie sub formă de lumină. Într-un cristal semiconductor obișnuit, aceasta este de obicei lumină albă produsă de multe lungimi de undă diferite. Motivul pentru aceasta este că electronii pot fi la diferite niveluri de energie. Ca rezultat, fotonii (P) rezultați au energii diferite, care este exprimată în lungimi de undă diferite de radiație.
Stabilizarea luminii prin puncte cuantice
Televizoarele QLED folosesc puncte cuantice ca sursă de lumină - acestea sunt cristale de doar câțiva nanometri. În acest caz, nevoia unui strat cu filtre de lumină dispare, deoarece atunci când li se aplică tensiune, cristalele emit întotdeauna lumină cu o lungime de undă bine definită și, prin urmare, valoarea culorii. Acest efect este realizat prin dimensiunea slabă a unui punct cuantic, în care un electron, ca într-un atom, este capabil să se miște doar într-un spațiu limitat. Ca și în cazul unui atom, un electron cu punct cuantic poate ocupa doar niveluri de energie strict definite. Datorită faptului că aceste niveluri de energie depind și de material, devine posibilă reglarea intenționată a proprietăților optice ale punctelor cuantice. De exemplu, pentru a obține o culoare roșie, se folosesc cristale dintr-un aliaj de cadmiu, zinc și seleniu (CdZnSe), ale căror dimensiuni sunt de aproximativ 10-12 nm. Un aliaj de cadmiu și seleniu este potrivit pentru culorile galben, verde și albastru, acesta din urmă putând fi obținut și folosind nanocristale dintr-un compus de zinc și sulf cu dimensiunea de 2-3 nm.
Producția în masă a cristalelor albastre este foarte dificilă și costisitoare, așa că televizorul introdus în 2013 de Sony nu este un televizor QLED „pedigreed” bazat pe puncte cuantice. În spatele afișajelor pe care le produc se află un strat de LED-uri albastre a căror lumină trece printr-un strat de nanocristale roșii și verzi. Drept urmare, ele, de fapt, înlocuiesc filtrele comune în prezent. Datorită acestui fapt, gama de culori în comparație cu televizoarele LCD convenționale este crescută cu 50%, dar nu atinge nivelul unui ecran QLED „curat”. Acestea din urmă, pe lângă o gamă de culori mai largă, au un alt avantaj: economisesc energie, deoarece nu este nevoie de un strat cu filtre de lumină. Drept urmare, partea frontală a ecranului televizoarelor QLED primește, de asemenea, mai multă lumină decât televizoarele convenționale, care lasă să intre doar aproximativ 5% din puterea de lumină.
Oamenii de știință au construit o teorie a formării unei clase larg răspândite de puncte cuantice, care sunt obținute din compuși care conțin cadmiu și seleniu. Timp de 30 de ani, dezvoltarea în această direcție s-a bazat în mare măsură pe încercare și eroare. Articolul a fost publicat în revista Nature Communications.
Punctele cuantice sunt semiconductori cristalini la scară nanometrică cu proprietăți optice și electronice remarcabile care și-au găsit deja aplicații în multe domenii de cercetare și tehnologie. Au proprietăți intermediare între semiconductori în vrac și moleculele individuale. Cu toate acestea, în procesul de sinteză a acestor nanoparticule, rămân puncte neclare, deoarece oamenii de știință nu au putut înțelege pe deplin cum interacționează reactivii, dintre care unii sunt foarte toxici.
Todd Krauss și Leigh Frenett de la Universitatea din Rochester vor schimba asta. În special, au descoperit că în timpul reacției de fuziune apar compuși toxici, care au fost utilizați pentru a obține primele puncte cuantice în urmă cu 30 de ani. „În esență, ne-am întors „înapoi în viitor” cu descoperirea noastră”, explică Krauss. - S-a dovedit că reactivii mai siguri folosiți astăzi se transformă în substanțele pe care s-a încercat să le evite de zeci de ani. Ei, la rândul lor, reacționează cu formarea de puncte cuantice.”
În primul rând, va reduce cantitatea de presupuneri implicate în producerea de puncte cuantice pe bază de cadmiu sau seleniu, ceea ce a dus la inconsecvențe și ireproducibilitate care au împiedicat căutarea aplicațiilor industriale.
În al doilea rând, va avertiza cercetătorii și companiile care lucrează cu sinteza punctelor cuantice în volume mari că încă au de-a face cu substanțe periculoase precum seleniura de hidrogen și complexele alchil-cadmiu, deși implicit.
În al treilea rând, va clarifica proprietățile chimice ale fosfinelor utilizate în multe procese pentru sinteza punctelor cuantice la temperaturi ridicate.
Surse:
« Punctele cuantice sunt atomi artificiali ale căror proprietăți pot fi controlate»
Zh.I. Alferov, laureat al Premiului Nobel în 2000. în Fizică pentru dezvoltarea heterostructurilor semiconductoare pentru viteză mare și optoelectronică
Punctele cuantice (QD) sunt nanoobiecte izolate ale căror proprietăți diferă semnificativ de cele ale unui material în vrac de aceeași compoziție. Trebuie remarcat imediat că punctele cuantice sunt mai mult un model matematic decât obiecte reale. Și acest lucru se datorează imposibilității de a se forma complet structuri izolate - particulele mici interacționează întotdeauna cu mediul, fiind într-un mediu lichid sau o matrice solidă.
Pentru a înțelege ce sunt punctele cuantice și pentru a înțelege structura lor electronică, imaginați-vă un amfiteatru grecesc antic. Acum imaginați-vă că pe scenă se desfășoară un spectacol fascinant, iar publicul este plin de oameni care au venit să-i vadă pe actori jucând. Deci, se dovedește că comportamentul oamenilor din teatru este în multe privințe similar cu comportamentul electronilor cu punct cuantic (QD). În timpul spectacolului, actorii se deplasează în jurul arenei fără a părăsi sala, iar publicul însuși urmărește acțiunea de pe scaune și nu coboară pe scenă. Arena este nivelurile inferioare umplute ale punctului cuantic, iar rândurile de audiență sunt niveluri electronice emoționate cu energie mai mare. În același timp, așa cum privitorul se poate afla în orice rând al sălii, tot așa electronul este capabil să ocupe orice nivel de energie al punctului cuantic, dar nu poate fi situat între ele. Atunci când cumpărau bilete pentru un spectacol la casa de bilete, toată lumea a încercat să obțină cele mai bune locuri - cât mai aproape de scenă. Într-adevăr, ei bine, cine vrea să stea în ultimul rând, de unde nici măcar nu se vede fața actorului cu binoclu! Prin urmare, atunci când publicul se așează înainte de începerea spectacolului, toate rândurile inferioare ale sălii sunt umplute, la fel cum în starea staționară a QD, care are cea mai scăzută energie, nivelurile inferioare de energie sunt complet ocupate de electroni. Cu toate acestea, în timpul spectacolului, unul dintre spectatori poate să-și părăsească locul, de exemplu, pentru că muzica de pe scenă se aude prea tare sau doar un vecin neplăcut a fost prins și se poate transfera pe un rând superior liber. Așa se face că un electron dintr-un punct cuantic sub acțiunea unei acțiuni externe este forțat să se deplaseze la un nivel de energie mai înalt, neocupat de alți electroni, ducând la formarea unei stări excitate a unui punct cuantic. Probabil vă întrebați ce se întâmplă cu acel loc gol de la nivelul de energie unde a fost electronul - așa-numita gaură? Se dovedește că prin interacțiunile de sarcină, electronul rămâne conectat la acesta și se poate întoarce în orice moment, la fel cum un spectator care a trecut mai departe se poate răzgândi oricând și se întoarce la locul indicat pe bilet. O pereche de „electron-hole” se numește „exciton” din cuvântul englez „excited”, care înseamnă „excitat”. Migrația între nivelurile de energie ale QD, în mod similar cu creșterea sau coborârea unuia dintre spectatori, este însoțită de o modificare a energiei electronului, care corespunde cu absorbția sau emisia unui cuantum de lumină (foton) atunci când electronul trece la un nivel superior sau, respectiv, inferior. Comportarea electronilor într-un punct cuantic descris mai sus duce la un spectru de energie discret, necaracteristic macroobiectelor, pentru care QD-urile sunt adesea numite atomi artificiali în care nivelurile electronilor sunt discrete.
Forța (energia) legăturii dintre o gaură și un electron determină raza excitonului, care este o mărime caracteristică pentru fiecare substanță. Dacă dimensiunea particulelor este mai mică decât raza excitonului, atunci excitonul se dovedește a fi limitat în spațiu de dimensiunea sa, iar energia de legare corespunzătoare se modifică semnificativ în comparație cu substanța în vrac (vezi „efectul mărimii cuantice”). Nu este greu de ghicit că, dacă energia excitonului se modifică, atunci se schimbă și energia fotonului emis de sistem în timpul tranziției electronului excitat la locul său original. Astfel, prin obținerea de soluții coloidale monodisperse de nanoparticule de diferite dimensiuni, este posibilă controlul energiilor de tranziție într-o gamă largă a spectrului optic.
Primele puncte cuantice au fost nanoparticule de metal, care au fost sintetizate în Egiptul antic pentru colorarea diferitelor ochelari (apropo, stelele de rubin de la Kremlin au fost obținute folosind o tehnologie similară), deși punctele cuantice mai tradiționale și cunoscute sunt semiconductori GaN. particule crescute pe substraturi și soluții coloidale de nanocristale de CdSe. În prezent, există multe modalități de obținere a punctelor cuantice, de exemplu, acestea pot fi „tăiate” din straturi subțiri de „heterostructuri” semiconductoare folosind „nanolitografie”, sau pot fi formate spontan sub formă de incluziuni de dimensiuni nanometrice de structuri de materiale semiconductoare de un tip într-o matrice a altuia. Folosind metoda „epitaxiei cu fascicul molecular” cu o diferență semnificativă în parametrii celulei unitare a substratului și a stratului depus, este posibil să se realizeze creșterea punctelor cuantice piramidale pe substrat, pentru studiul proprietăților dintre care academicianul Zh.I.Alferov a fost distins cu Premiul Nobel. Prin controlul condițiilor proceselor de sinteză, teoretic este posibil să se obțină puncte cuantice de anumite dimensiuni cu proprietăți dorite.
Punctele cuantice sunt încă un obiect „tânăr” de cercetare, dar perspectivele largi pentru utilizarea lor în proiectarea laserelor și a afișajelor unei noi generații sunt deja destul de evidente. Proprietățile optice ale QD-urilor sunt utilizate în cele mai neașteptate domenii ale științei, în care sunt necesare proprietăți luminiscente reglabile ale materialului, de exemplu, în cercetarea medicală, este posibil să se „ilumineze” țesuturile bolnave cu ajutorul lor. Oamenii care visează la „calculatoare cuantice” văd punctele cuantice candidați promițători pentru construirea de qubiți.
Literatură
N. Kobayashi. Introducere în nanotehnologie. M.: BINOM. Laboratorul de cunoștințe, 2007, 134 p.
V.Ya. Demikhovsky, G.A. Vugalter Fizica structurilor cuantice cu dimensiuni joase. M.: Logos, 2000.
Orice substanță de dimensiune microscopică este o nanoparticulă, un material folosit de cercetătorii în nanotehnologie pentru a dezvolta și a crea noi tehnologii bazate pe aplicarea elementelor în această formă minusculă. Citim cu atenție, pentru că va fi necesar să ne adâncim puțin în esența textului.
Punctele cuantice sunt nanoparticule realizate din orice material semiconductor, cum ar fi siliciul, seleniura de cadmiu, sulfura de cadmiu sau arseniura de indiu, care strălucesc o anumită culoare atunci când sunt iluminate cu lumină.
Culoarea cu care strălucesc depinde de mărimea nanoparticulei. Prin plasarea unor quante de dimensiuni diferite, este posibil să se obțină culori roșii, verzi și albastre în fiecare pixel al ecranului de afișare, ceea ce va face posibilă crearea unui spectru complet de culori în acești pixeli (orice culoare existentă se obține prin amestecarea aceste culori).
Când punctele cuantice sunt iluminate cu lumină UV, unii dintre electroni primesc suficientă energie pentru a scăpa de atomi. Această abilitate le permite să se deplaseze în jurul nanoparticulei, creând o bandă de conducere în care electronii sunt liberi să se deplaseze prin material și să conducă electricitatea.
Când electronii coboară pe o orbită exterioară în jurul unui atom (banda de valență), ei emit lumină. Culoarea acestei lumini depinde de diferența de energie dintre banda de conducere și banda de valență.
Cu cât nanoparticulele sunt mai mici, cu atât diferența de energie dintre banda de valență și banda de conducere este mai mare, rezultând o culoare albastră mai profundă. Pentru o nanoparticulă mai mare, diferența de energie dintre banda de valență și banda de conducție este mai mică, ceea ce schimbă luminescența către roșu.
Puncte cuantice și afișaje
Pentru LCD-uri, beneficiile sunt numeroase. Să ne uităm la cele mai importante și interesante caracteristici pe care le-au primit ecranele LCD din punctele cuantice.
Luminozitate maximă mai mare
Unul dintre motivele pentru care producătorii sunt atât de încântați de punctele cuantice este capacitatea de a crea ecrane cu luminozitate de vârf mult mai mare decât alte tehnologii. La rândul său, luminozitatea maximă crescută oferă oportunități mult mai mari pentru utilizarea HDR și Dolby Vision.
Dolby Vision este un standard video care are o gamă dinamică extinsă, adică o diferență foarte mare de lumină între cel mai luminos și cel mai întunecat punct de pe ecran, ceea ce face imaginea mai realistă și mai contrastată.
Dacă nu știți, atunci dezvoltatorii încearcă în mod constant să joace Domnul Dumnezeu și să creeze ceea ce a creat El (ei bine, sau cine l-a creat peste tot în jurul nostru, poate universul?), doar pentru a-l transfera pe ecran.
Adică, de exemplu, un cer normal într-o zi senină are o luminozitate de aproximativ 20.000 nits (unități de luminozitate), în timp ce cele mai bune televizoare pot oferi o luminozitate cu aproximativ 10 mai puțin. Deci, standardul Dolby Vision este încă înaintea celorlalți, dar sunt încă foarte departe de Creator :)
În consecință, ecranele cu puncte cuantice reprezintă un alt pas către o imagine mai luminoasă. Poate că într-o zi vom putea vedea un răsărit și/sau apus aproape real, și poate și alte minuni unice ale naturii, fără a pleca de acasă.
Cea mai bună reproducere a culorilor
Un alt mare beneficiu al punctelor cuantice este precizia îmbunătățită a culorii. Deoarece fiecare pixel are CT roșu, albastru și verde, vă oferă acces la o paletă completă de culori, care, la rândul său, vă permite să obțineți o cantitate incredibilă de nuanțe de orice culoare.
Durată de viață îmbunătățită a bateriei pentru dispozitivele mobile
Ecranele cu puncte cuantice promit nu numai o calitate superioară a imaginii, ci și un consum de energie excepțional de scăzut.
Puncte cuantice și Samsung QLED
Televizoarele cu puncte cuantice de la Samsung, sau pur și simplu, nu sunt cu adevărat puncte cuantice în înțelegerea corectă a acestei tehnologii. QLED este mai mult un hibrid, o încrucișare între puncte cuantice și ecrane LED. De ce? Deoarece aceste televizoare încă folosesc iluminare din spate cu LED, iar într-un ecran real pe puncte cuantice, lumina ar trebui creată tocmai de puncte.
Prin urmare, chiar dacă noile televizoare de la gigantul sud-coreean arată mai bine decât ecranele LED convenționale, acestea nu sunt totuși televizoare cu puncte cuantice, ci televizoare cu puncte cuantice în loc de un filtru de lumină.
Comentarii:
| Ivan Ivanovici |