Квантова точка. Наноазбука: квантові точки

Квантові точки- це крихітні кристали, що випромінюють світло з точно регульованим колірним значенням. Технологія Quantum dot LED істотно підвищує якість зображення, не впливаючи при цьому на кінцеву вартість пристроїв, теоретично:).

Звичайні рідкокристалічні телевізори можуть охоплювати лише 20–30% колірного діапазону, здатного сприймати людське око. Зображення має велику реалістичність, але дана технологія не орієнтована на масове виробництво великих діагоналей дисплеїв. Хто стежить за ринком телевізорів, пам'ятає, що ще на початку 2013 Sony представила перший телевізор на основі квантових точок (Quantum dot LED, QLED). Великі виробники телевізорів випустять моделі телевізорів на квантових точках цього року, Samsung їх представив у Росії під назвою SUHD, але про це в кінці статті. Давайте дізнаємося, чим відрізняються дисплеї, зроблені за QLED технологією, від звичних РК-телевізорів.

У ЖК-телевізорах відсутні чисті кольори

Адже рідкокристалічні дисплеї складаються з 5 шарів: джерелом є біле світло, що випромінюється світлодіодами, яке проходить через кілька поляризаційних фільтрів. Фільтри, розташовані спереду і ззаду, в сукупності з рідкими кристалами керують світловим потоком, що проходить, знижуючи або підвищуючи його яскравість. Це відбувається завдяки транзисторам пікселів, що впливають на кількість світла, що проходить через світлофільтри (червоний, зелений, синій). Сформований колір цих трьох субпікселів, на які накладені фільтри, дає певне значення кольору пікселя. Змішування кольорів відбувається досить "гладко", але отримати таким чином чистий червоний, зелений або синій просто неможливо. Каменем спотикання виступають фільтри, які пропускають не одну хвилю певної довжини, а цілу низку різних за довжиною хвиль. Наприклад, через червоний світлофільтр проходить також оранжеве світло.

Світлодіод випромінює світло при подачі на нього напруги. Завдяки цьому електрони (e) переходять з матеріалу N-типу до матеріалу P-типу. Матеріал N-типу містить атоми з надмірною кількістю електронів. У матеріалі P-типу є атоми, яким не вистачає електронів. При попаданні в останній надлишкових електронів вони віддають енергію у вигляді світла. У звичайному напівпровідниковому кристалі це, як правило, біле світло, яке утворюється безліччю хвиль різної довжини. Причина цього полягає в тому, що електрони можуть знаходитись на різних енергетичних рівнях. В результаті отримані фотони (P) мають різну енергію, що виражається у різній довжині хвиль випромінювання.

Стабілізація світла квантовими точками

У телевізорах QLEDЯк джерело світла виступають квантові точки - це кристали розміром лише кілька нанометрів. При цьому необхідність шару зі світлофільтрами відпадає, оскільки при подачі на них напруги кристали випромінюють світло завжди з чітко визначеною довжиною хвилі, а значить, і колірним значенням. Цей ефект досягається мізерними розмірами квантової точки, в якій електрон, як і в атомі, здатний пересуватися лише в обмеженому просторі. Як і атомі, електрон квантової точки може займати лише суворо певні енергетичні рівні. Завдяки тому що ці енергетичні рівні залежать навіть від матеріалу, з'являється можливість цілеспрямованої настройки оптичних властивостей квантових точок. Наприклад, для отримання червоного кольору використовують кристали зі сплаву кадмію, цинку та селену (CdZnSe), розміри яких становлять близько 10-12 нм. Сплав кадмію та селену підходить для жовтого, зеленого та синього кольорів, останній можна також отримати при використанні нанокристалів зі з'єднання цинку та сірки розміром 2–3 нм.

Масове виробництво синіх кристалів дуже складне і витратне, тому представлений у 2013 році компанією Sony телевізор не є «породистим» QLED-телевізором на основі квантових точок. У задній частині їх дисплеїв розташовується шар синіх світлодіодів, світло яких проходить через шар червоних і зелених нанокристалів. В результаті вони по суті замінюють поширені в даний час світлофільтри. Завдяки цьому колірне охоплення у порівнянні зі звичайними РК-телевізорами збільшується на 50%, проте не дотягує до рівня «чистого» QLED-екрана. Останні, крім ширшого кольорового охоплення, мають ще одну перевагу: вони дозволяють економити енергію, тому що необхідність у шарі зі світлофільтрами відпадає. Завдяки цьому передня частина екрану в QLED-телевізорах ще й одержує більше світла, ніж у звичайних телевізорах, які пропускають лише близько 5% світлового потоку.

QLED телевізор із дисплеєм на основі технології квантових точок від Samsung

Компанія Samsung Electronics представила у Росії преміальні телевізори, виготовлені за технологією квантових точок. Новинки з роздільною здатністю 3840×2160 пікселів виявилися не з дешевих, а флагманська модель зовсім оцінена в 2 млн рублів.

Нововведення.Вигнуті телевізори Samsung SUHD на квантових точках відрізняються від поширених РК-моделей вищими характеристиками кольору, контрастності та енергоспоживання. Інтегрований процесор обробки зображення SUHD Remastering Engine дозволяє масштабувати відеоконтент низької роздільної здатності в 4K. Крім цього, нові телевізори отримали функції інтелектуального підсвічування Peak Illuminator і Precision Black, технології Nano Crystal Color (покращує насиченість та природність кольорів), UHD Dimming (забезпечує оптимальний контраст) та Auto Depth Enhancer (автоматичне налаштування контрастності для певних областей). У програмній основі телевізорів лежить операційна система Tizen із оновленою платформою Samsung Smart TV.

Ціни.Сімейство Samsung SUHD TV представлено у трьох серіях (JS9500, JS9000 та JS8500), де вартість починається зі 130 тис. рублів. У стільки російським покупцям обійдеться 48-дюймова модель UE48JS8500TXRU. Максимальна ціна на телевізор із квантовими точками досягає 2 млн рублів – за модель UE88JS9500TXRU з 88-дюймовим вигнутим дисплеєм.

Телевізори нового покоління за технологією QLED готують південнокорейські Samsung Electronics та LG Electronics, китайські TCL та Hisense, а також японська Sony. Остання вже випустила LCD-телевізори, виготовлені за технологією квантових точок, про що згадував в описі технології Quantum dot LED.

Для того, щоб отримати загальне уявлення про властивості матеріальних предметів та закони, відповідно до яких «живе» звичний кожному макросвіт, зовсім не обов'язково закінчувати вищий навчальний заклад, адже щодня кожен стикається з їхніми проявами. Хоча останнім часом все частіше згадується принцип подібності, прихильники якого стверджують, що мікро і макросвіт дуже схожі, проте різниця все-таки є. Особливо це помітно за дуже незначних розмірів тіл та об'єктів. Квантові точки, іноді звані наноточками, якраз є одним із цих випадків.

Менше менше

Згадаймо класичне пристрій атома, наприклад, водню. Він включає ядро, яке завдяки присутності в ньому позитивно зарядженого протона володіє плюсовим тобто +1 (бо водень - перший елемент в таблиці Менделєєва). Відповідно на певній відстані від ядра знаходиться електрон (-1), формуючи електронну оболонку. Очевидно, що якщо збільшити значення, то це спричинить приєднання нових електронів (нагадаємо: в цілому атом електрично нейтральний).

Відстань між кожним електроном та ядром визначається рівнями енергії негативно заряджених частинок. Кожна орбіта є незмінною, сумарна конфігурація частинок визначає матеріал. Електрони можуть перескакувати з однієї орбіти на іншу, поглинаючи або виділяючи енергію у вигляді фотонів тієї чи іншої частоти. На найвіддаленіших орбітах знаходяться електрони з максимальним рівнем енергії. Що цікаво, сам фотон виявляє подвійну природу, визначаючись одночасно як безмасова частка та електромагнітне випромінювання.

Саме слово "фотон" грецького походження, воно означає "частка світла". Отже, можна стверджувати, що при зміні електроном своєї орбіти він поглинає (виділяє) квант світла. У разі доречно пояснити сенс іншого слова - «квант». Насправді, нічого складного немає. Слово походить від латинського «quantum», що дослівно перекладається як найменше значення будь-якої фізичної величини (тут – випромінювання). Пояснимо на прикладі, що таке квант: якби при вимірі ваги найменшою неподільною величиною був міліграм, його можна було б так назвати. Ось так просто пояснюється, начебто, складний термін.

Квантові точки: роз'яснення

Часто в підручниках можна зустріти таке визначення для наноточки - це надзвичайно маленька частка будь-якого матеріалу, розміри якої можна порівняти з величиною випромінюваної довжини хвилі електрона (повний спектр охоплює межу від 1 до 10 нанометрів). Всередині неї значення одиничного носія негативного заряду менше, ніж поза, тому електрон обмежений переміщеннях.

Однак термін "квантові точки" може бути пояснений інакше. Електрон, що поглинув фотон, «піднімається» на більш високий енергетичний щабель, а на його місці утворюється «нестача» - так звана дірка. Відповідно, якщо електрон має -1 заряд, то дірка +1. Прагнучи повернутися до колишнього сталого стану, електрон випромінює фотон. Зв'язок носіїв зарядів «-» і «+» у разі носить назву екситон й у фізиці розуміється як частка. Її розмір залежить від рівня поглиненої енергії (вищої орбіти). Квантові точки якраз і є цими частинками. Частота випромінюваної електроном енергії безпосередньо залежить від розміру частки даного матеріалу та ексітону. Варто відзначити, що в основі колірного сприйняття світла людським оком лежить різна

LED, LCD, OLED, 4K, UHD... здавалося б, останнє, що зараз потрібно телевізійної індустрії, то це чергова технічна абревіатура. Але прогрес не зупинити, зустрічайте ще пару літер – QD (або Quantum Dot). Відразу зазначу, що термін «квантові точки» у фізиці має ширше значення, ніж потрібно для телевізорів. Але у світлі нинішньої моди на всі нанофізичні маркетологи великих корпорацій з радістю почали застосовувати це непросте наукове поняття. Тому я вирішив розібратися, що це за квантові точки такі і чому всі захочуть купити QD-телевізор.

Спочатку трохи науки у спрощеному вигляді. "Квантова точка" - напівпровідник, електричні властивості якого залежать від його розміру та форми (wiki). Він має бути настільки малий, щоб квантово-розмірні ефекти були вираженими. А ці ефекти регулюються розміром цієї точки, тобто. від «габаритів», якщо це слово застосовується до таких малих об'єктів, залежить енергія випромінюваного, наприклад, фотона - фактично колір.

Ще більш споживчою мовою – це крихітні частинки, які почнуть світитися у певному спектрі, якщо їх підсвітити. Якщо їх нанести і розтерти на тонкій плівці, потім підсвітити її, плівка почне яскраво люмінесцувати. Суть технології в тому, що розмір цих точок легко контролювати, а значить досягти точного кольору.

Насправді не так вже й важливо, яке ім'я обрали великі корпорації, головне, що це має дати споживачеві. І тут обіцянка досить проста - покращена передача кольору. Щоб краще зрозуміти, як "квантові точки" її забезпечать, потрібно згадати пристрій РК-дисплея.

Світло під кристалом

LCD-телевізор (ЖК) складається з трьох основних частин: біле підсвічування, колірні фільтри (що розділяють свічення на червоний, синій та зелений кольори) та рідкокристалічна матриця. Остання виглядає як сітка із крихітних вікон - пікселів, які, у свою чергу, складаються з трьох субпікселів (осередків). Рідкі кристали, подібно до жалюзі, можуть перекрити світловий потік або навпаки відкритися повністю, також є проміжні стани.

Коли біле світло, що випромінюється світлодіодами (LED, сьогодні вже складно знайти телевізор з люмінесцентними лампами, як це було лише кілька років тому), проходить, наприклад, через піксель, у якого закриті зелені та червоні осередки, то ми бачимо синій колір. Ступінь «участі» кожного RGB-пікселя змінюється, і таким чином виходить кольорова картинка.

Як ви розумієте, для забезпечення колірної якості зображення потрібні як мінімум дві речі: точні кольори світлофільтрів і правильне біле підсвічування, бажано з широким спектром. Саме з останнім світлодіоди мають проблему.

По-перше, вони практично не білі, до того ж, у них дуже вузький колірний спектр. Тобто спектр шириною білого кольору досягається додатковими покриттями – є кілька технологій, найчастіше використовуються так звані люмінофорні діоди з добавкою жовтого. Але й цей «квазибілий» колір все ж таки недотягує до ідеалу. Якщо пропустити його через призму (як на уроці фізики в школі), він не розкладеться на всі кольори веселки однакової інтенсивності, як це відбувається із сонячним світлом. Червоний, наприклад, здаватиметься набагато тьмяніше зеленого та синього.

Інженери, зрозуміло, намагаються виправити ситуацію і вигадують обхідні рішення. Наприклад, можна знизити рівень зеленого та синього в налаштуваннях телевізора, проте це вплине на сумарну яскравість – картинка стане блідішою. Тому всі виробники шукали джерело білого світла, при розпаді якого вийде рівномірний спектр з кольорами однакової насиченості. Тут на допомогу і приходять квантові точки.

Квантові точки

Нагадаю, якщо ми говоримо про телевізори, то «квантові точки» - це мікроскопічні кристали, які люмінескують, коли на них потрапляє світло. "Горіти" вони можуть безліччю різних кольорів, все залежить від розміру точки. А з огляду на те, що зараз вчені навчилися практично ідеально контролювати їх розміри шляхом зміни кількості атомів, з яких вони складаються, можна отримувати свічення саме того кольору, якого потрібно. Також квантові точки дуже стабільні - вони не змінюються, а це означає, що точка створена для люмінесценції з певним відтінком червоного практично вічно зберігатиме цей відтінок.

Інженери придумали використовувати технологію в такий спосіб: на тонку плівку наноситься «квантовоточкове» покриття, створене для свічення з певним відтінком червоного та зеленого. А світлодіод – звичайний синій. І тут хтось відразу здогадається: «все зрозуміло - є джерело синього, а крапки дадуть зелений і червоний, ми отримаємо ту саму модель RGB!». Але ні, технологія працює інакше.

Потрібно пам'ятати, що "квантові точки" знаходяться на одному великому аркуші і вони не розбиті на субпікселі, а просто перемішані між собою. Коли синій діод світить на плівку, крапки випромінюють червоний і зелений, як уже говорилося вище, і тільки коли всі ці три кольори змішуються - тут і виходить ідеальне джерело білого світла. І нагадаю, що якісне біле світло позаду матриці фактично дорівнює натуральній передачі кольору для очей глядача по інший бік. Як мінімум, тому що не доводиться робити корекцію із втратою чи спотворенням спектру.

Це досі LCD-телевізор

Широка кольорова гама особливо стане в нагоді для нових 4К-телевізорів і колірної субдискретизації типу 4:4:4, яка на нас чекає в майбутніх стандартах. Це все чудово, але пам'ятайте, що квантові точки не усувають інших проблем РК-телевізорів. Наприклад, практично неможливо отримати ідеальний чорний, тому що рідкі кристали (ті самі як би «жалюзі», про що я писав вище) не здатні повністю блокувати світло. Вони можуть лише «прикриватися», але не повністю закриватися.

Квантові точки покликані покращити перенесення кольорів, а це значно покращить враження від картинки. Але це не OLED-технологія чи плазма, де пікселі здатні повністю припиняти подачу світла. Проте плазмові телевізори пішли на пенсію, а OLED, як і раніше, занадто дорогі для більшості споживачів, тому все ж приємно знати, що незабаром виробники запропонують нам новий вид LED-телевізорів, який буде показувати краще.

Скільки коштує "квантовий телевізор"?

Перші QD-телевізори Sony, Samsung та LG обіцяють показати на виставці CES 2015 у січні. Однак попереду всіх китайська TLC Multimedia вони вже випустили 4K QD-телевізор і кажуть, що він ось-ось з'явиться в магазинах у Китаї.

На даний момент назвати точну вартість телевізорів з новою технологією неможливо, чекаємо на офіційні заяви. Писали, що коштувати QD будуть втричі дешевше за аналогічні по функціоналу OLED. До того ж, технологія, як кажуть вчені, зовсім недорога. Виходячи з цього можна сподіватися, що Quantum Dot-моделі будуть широко доступні і просто замінять звичайні. Проте я думаю, що спершу ціни все одно завищать. Як це зазвичай буває з усіма новими технологіями.

Простіше кажучи, квантова точка – це напівпровідник, електричні характеристики якого залежать від його розміру та форми. Регулюючи розмір квантової точки, ми можемо змінювати енергію фотона, що випромінюється, а значить, можемо змінювати колір випромінюваного квантовою точкою світла. Основна перевага квантової точки полягає в можливості, змінюючи розмір, точно налаштовувати довжину хвилі світла, що випромінюється.

Опис:

Квантові точки - це фрагменти провідника або напівпровідника (наприклад, InGaAs, CdSe або GaInP/InP), носії заряду (електрони або дірки) якого обмежені у просторі за всіма трьома вимірами. Розмір квантової точки має бути настільки малий, щоб квантові ефекти були суттєвими. Це досягається, якщо кінетична енергія електрона помітно більше за всіх інших енергетичних масштабів: в першу чергу більше температури, вираженої в енергетичних одиницях.

Простіше кажучи, квантова точка – це напівпровідник, електричні характеристики якого залежать від його розміру та форми. Чим менший розмір кристала, тим більша відстань між енергетичними рівнями. При переході електрона на енергетичний рівень нижче випускається фотон. Регулюючи розмір квантової точки, ми можемо змінювати енергію фотона, що випромінюється, а значить, можемо змінювати колір випромінюваного квантовою точкою світла. Основна перевага квантової точки полягає в можливості, змінюючи розмір, точно налаштовувати довжину хвилі світла, що випромінюється.

Квантові точки різних розмірів можуть бути зібрані в багатошарові градієнтні наноплівки.

Розрізняють два типи квантових точок (за способом створення):

— колоїдні квантові точки.

Характеристики:

Застосування:

— для різних біохімічних та біомедичних досліджень, у тому числі для багатобарвної візуалізації біологічних об'єктів (вірусів, клітинних органел, клітин, тканин) in vitro та in vivo, а також як пасивних флуоресцентних маркерів та активних індикаторів для оцінки концентрації певної речовини в тому чи іншому зразком,

— для багатоканального оптичного кодування, наприклад, у проточній цитометрії та високопродуктивному аналізі білків та нуклеїнових кислот,

— для дослідження просторового та тимчасового розподілу біомолекул методом конфокальної мікроскопії,

— в імуноаналізі,

— при in situ діагностиці маркерів раку,

— у блоттингу,

— як джерело білого кольору,

— в світлодіоди,

— у напівпровідникових технологіях,

Вертикальні ферми – вертикальне сільське господарство.

Системи зберігання даних на базі процесора «Е...

Швидкохідне морське пасажирське судно.

Рибні ферми та технологія вирощування риби.

Аромосинтезатор – прилад для виробництва ароматизованих...

Екраноплани Іволга

Колісний робот вітчизняного виробництва.

Утилізація боєприпасів за допомогою мікроорганізмів.

Роторно-лопатевий двигун внутрішнього згоряння.

Доброго часу доби, Хабражителі! Я думаю багато хто помітив, що все частіше і частіше стала з'являтися реклама про дисплеї засновані на технології квантових точок, так звані QD - LED (QLED) дисплеї і незважаючи на те, що на даний момент це лише маркетинг. Аналогічно LED TV та Retina це технологія створення дисплеїв LCD, яка використовує як підсвічування світлодіоди на основі квантових точок.

Ваш покірний слуга вирішив все ж таки розібратися що таке квантові точки і з чим їх їдять.

Замість введення

Енергетичний спектр квантової точки дискретний, а відстань між стаціонарними рівнями енергії носія заряду залежить від розміру самої квантової точки як - //(2md^2), де:

1. ħ - наведена стала Планка;
2. d – характерний розмір точки;
3. m – ефективна маса електрона на точці

Типи квантових точок

• епітаксійні квантові точки;
• колоїдні квантові точки.

Конструкція квантових точок

Тепер про дисплеї

Для створення прототипу на крем'яну плату наносять шар розчину квантових точок і розчинник напилюється. Після чого шар квантових точок запресовується гумовий штамп з гребінчастою поверхнею, відділяється і штампується на скло або гнучкий пластик. Так здійснюється нанесення смужок квантових точок на підкладку. У кольорових дисплеях кожен піксель містить червоний, зелений чи синій субпіксель. Відповідно, ці кольори використовуються з різною інтенсивністю для отримання якомога більшої кількості відтінків.

Наступним кроком у розвитку стала публікація статті вченими з Індійського Інституту Науки у Бангалорі. Де було описано квантові точки, які люмінескують не тільки помаранчевим кольором, а й у діапазоні від темно-зеленого до червоного.

Чим ЖК гірше?

P.S.Варто відзначити, що область застосування квантових точок не обмежується тільки LED-моніторами, крім іншого вони можуть застосовуватися, в польових транзисторах, фотоелементах, лазерних діодах, так само проходять дослідження можливості застосування їх в медицині та квантових обчисленнях.

P.P.S.Якщо ж говорити про мою особисту думку, то я вважаю, що найближчий десяток років популярністю користуватися вони не будуть, не через те, що мало відомі, а тому, як ціни на дані дисплеї надхмарні, але все ж таки хочеться сподіватися, що квантові точки знайдуть своє застосування і в медицині, і використовуватимуся не тільки для збільшення прибутку, але і в благих цілях.

Теги: Додати теги