Informatik
Entwicklung von Bildgebungsverfahren der nächsten Generation mit Infrarot-Quantenpunkten
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Die Quantenpunkttechnologie (QD) verändert die Beleuchtungs- und Displayindustrie. Diese Halbleiter-Nanokristalle sind ein beliebtes Gesprächsthema in der Nanotechnologie und Materialwissenschaft. Dabei handelt es sich um sehr kleine Halbleiterpartikel mit einer Größe von nur wenigen Nanometern.
Ihre elektronischen und optischen Eigenschaften liegen zwischen denen von Einzelatomen und Halbleitern. Diese Eigenschaften hängen tatsächlich sowohl von der Größe als auch von der Form dieser Quantenpunkte ab. Beispielsweise emittieren größere Quantenpunkte von 5–6 nm Größe längere Wellenlängen als kleinere Quantenpunkte von 2–3 nm Größe kürzere Wellenlängen. Außerdem erzeugen die ersteren Quantenpunkte orange oder rote Farben, während die letzteren blau und grün erzeugen. Die Spezifität dieser Farben hängt jedoch von der Zusammensetzung der Quantenpunkte ab.
QDs sind nanometergroße Halbleitermaterialien mit eng begrenzten Elektronen oder Elektronenlöchern, ähnlich einem 3D-Partikel in einem Boxmodell. Durch die Kopplung zweier oder mehrerer dieser QDs Es kann auch ein künstliches Molekül hergestellt werden. Durch präzise Anordnung können Übergitter gebildet werden, die als künstliche Festkörpermaterialien fungieren, deren einzigartige optische und elektronische Eigenschaften kontrolliert werden.
Erst letztes Jahr erhielten Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov und Louis E. Brus den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Entwicklung von Quantenpunkten. Allerdings sind Quantenpunkte nicht so jung wie die Technologie. Sie wurden erstmals vor vielen Jahrzehnten, nämlich 1980, entdeckt und es ist Jahre her, dass Quantenpunkte in LCDs als Remote Phosphors verwendet werden.
Die potenzielle Anwendung von Quantenpunkten ist nicht auf Displays beschränkt, entweder. Sie erweitern weiter bis hin zu LEDs, Lasern, Solarzellen, Einzelphotonenquellen, Einzelelektronentransistoren, Mikroskopie, Bioimaging, zellbiologischer Forschung und chemischer Reaktionskatalyse.
Aufgrund der steigenden Nachfrage nach energieeffizienten Beleuchtungslösungen und hochwertigen Anzeigegeräten in verschiedenen Branchen, QD-Markt wird projiziert in den kommenden Jahren ein beeindruckendes Wachstum von durchschnittlich 17.40 % zu verzeichnen. Die globale Marktgröße von QD wird projiziert bis zum Ende dieses Jahrzehnts 12.34 Milliarden Dollar erreichen.
Angesichts ihrer breiten Anwendung und des erwarteten Marktwachstums waren Quantenpunkte Gegenstand zahlreicher Forschungen und Experimente. Dies geschah jedoch hauptsächlich im sichtbaren Spektrum. Dies bedeutet, dass es über die Technologie im Ultraviolett- und Infrarotbereiche.
Infrarottechnik hat viele Anwendungsfälle, daher besteht ein zunehmender Bedarf an kostengünstigen, einfach zu entwickelnden und einfach zu verwendenden optoelektronische Materialien, die abstimmbar und infrarotaktiv sind. Dieser hat zur Entwicklung von Infrarot-Quantenpunkten geführt. Aufgrund des Quantenbeschränkungseffekts können die Bandlücken von Infrarot-Quantenpunkten abgestimmt werden bei Bedarf einfach durch Dimensionsbeschränkungen.
Fortschritte bei der Entwicklung von Infrarot-Quantenpunkten als Infrarot-Absorber, wie sie in Solarbrennstoffen und Photovoltaik verwendet werden, und als Infrarot-Lichtemitter, wie sie in der biologischen Bildgebung und in Leuchtdioden verwendet werden, sind Erleichterung der Implementierung von QDs in neue Anwendungen.
Entwicklung hochwertiger Nanokristalle
Nun haben Andrew Smith, Professor für Bioingenieurwesen an der University of Illinois in Urbana-Champaign, und Postdoc-Forscher Wonseok Lee entwickelte neue hochwertige Nanokristallprodukte.
Veröffentlicht Die in Nature Synthesis veröffentlichte und von den National Institutes of Health und der National Science Foundation geförderte Forschung war das erste Beispiel dafür, dass Infrarot-QDs dieselben hohen Standards aufwiesen wie jene im sichtbaren Lichtspektrum.
Selbst nach fast einem halben Jahrhundert der Existenz der Nanokristall-Technologie haben wir nur Fortschritte bei Nanokristallen gesehen, die im sichtbaren Teil des Spektrums. Dieser ergibt Sinn, da sie einen „großen Teil von Anzeigegeräten“ ausmachen.
Wie Smith mitteilte, besteht der größte Teil jeder Technologie darin, Licht zu emittieren oder zu absorbieren. Der Schwerpunkt lag daher auf der Entwicklung einer Technologie mit der größte Markt heute.
Aber das ist nicht alles. Neben der viel größeren Nachfrage nach Nanokristallen im sichtbaren Spektrum ist auch die Chemie der im Infrarotbereich verwendeten Materialien anspruchsvoller. Dieser umfasst eine geringere Energie und längere Wellenlängen als Licht im sichtbaren Spektrum.
Um Lichtemission und -absorption im Infrarotbereich zu erreichen, sind allerdings schwerere Elemente erforderlich, deren chemische Zusammensetzung schwierig ist. Dieser bedeutet weniger vorhersehbare Reaktionen und mehr unerwünschte Nebenreaktionen.
Und das ist noch nicht alles. Diese schwereren Elemente sind noch anfälliger für Zerfall. Sie sind sogar anfällig für Veränderungen in der Umwelt, wie Wasser.
Wenn es um Quantenpunkt-Nanokristalle geht, können sie gemacht sein aus elementaren Halbleitern wie Silizium, oder sie können gemacht sein aus zwei Elementen (binär) oder drei Elementen (ternär). Durch Mischen von zwei Elementen gemeinsam, Es können verschiedene Eigenschaften erreicht werdenund durch die Kombination von drei noch mehr Eigenschaften können erreicht werden.
An der Flaggschiff-Einrichtung der University of Illinois konzentrierten sich die Forscher auf eine einzige Elementart, von der sie glauben, dass sie das „perfekte“ Material für die Herstellung sein könnte. Das Material hier ist Quecksilbercadmiumselenid. Laut Smith:
„Im Grunde genommen könnte man jede gewünschte Eigenschaft erzielen, indem man das Verhältnis von Cadmium- und Quecksilberatomen verändert. Man kann diesen riesigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken – vom gesamten Infrarot bis hin zum gesamten sichtbaren Spektrum – und so viele Eigenschaften erzielen.“
Nutzung des bereits entwickelten QD
Die Entwicklung hochwertiger Infrarot-Quantenpunkte hat tatsächlich Jahre gedauert. Die Forschungsgemeinschaft versucht dies schon seit langem, und Smith selbst ist seit seiner Graduiertenschule daran beteiligt. Aber keine der Bemühungen war erfolgreich. bisher erfolgreich.
Schließlich gelang es den Forschern der Universität von Illinois, ein neues Material herzustellen. Sie erreichten dies indem man etwas nimmt, das bereits perfektioniert ist. Sie nahmen also, was gilt als als der am weitesten entwickelte Quantenpunkt und nutzte ihn als das, was Smith eine „Opferform“ nannte.
Cadmiumselenid (CdSe) ist eine anorganische Verbindung, die als II-VI-Halbleiter des n-Typs klassifiziert ist. Es ist für Infrarotlicht (IR) durchlässig und hoch lumineszierend, wird jedoch nur begrenzt in Fotowiderständen verwendet.
Wie die Forschung feststellte, haben kolloidale Halbleiter-Nanokristalle auf CdSe-Basis wurde präzise optimiert für photonische Anwendungen im sichtbaren Spektrum. Moderne Produkte weisen tatsächlich eine strukturelle Einheitlichkeit mit nahezu hundertprozentiger Quantenausbeute auf.
Nun nahm das Team Cadmiumselenid und ersetzte die Cadmiumatome (Cd) durch Quecksilberatome (Hg). Dadurch änderte sich sofort alles ins Infrarotspektrum, während alle gewünschten Eigenschaften, einschließlich starker Lichtemission und starker Lichtabsorption, erhalten blieben.
Um Um dies zu erreichen, mussten die Forscher die konventionellen Weg, der Synthese von Nanokristallen. Bei der traditionellen Methode werden zunächst die Vorläuferelemente gemischt und dann unter den richtigen Bedingungen in die gewünschte Nanokristallstruktur zerlegt.
Für Selenid, Quecksilber und Cadmium wurden jedoch keine geeigneten Bedingungen festgestellt. Daher entwickelte der Postdoktorand Lee eine neue Methode namens „interdiffusionsverstärkter Kationenaustausch“.
Dabei fügte das Team als viertes Element Silber hinzu, welches dem Material Fehler beschert. Dieser, sagte Smith, habe dazu geführt, dass „alles vermischt wurde gemeinsam homogen. Und damit war das ganze Problem gelöst.“
Am Ende entwickelte das Team Nanokristalle aus Quecksilberselenid (HgSe) und Quecksilbercadmiumselenid (HgCdSe), die im Infrarotspektrum emittieren und absorbieren. Die neuen Materialien wurden aus bereits gut entwickelten CdSe-Vorläufern im sichtbaren Spektrum entwickelt und behielten die gewünschten Eigenschaften, darunter Form, Größe und Einheitlichkeit der Cadmiumselenid-Nanokristalle, bei, wiesen aber gleichzeitig eine verbesserte Absorption auf.
Diese homogenen Nanokristalle, HgSe- und HgxCd1−xSe-Legierungen, haben auch einstellbare Bandlücken im Infrarotspektrum. Laut der Forschung „sind nach Passivierung mit heteroepitaktischen CdZnS-Schalen die Photolumineszenzwellenlängen im kurzwelligen Infrarot durch die Zusammensetzung einstellbar, ohne dass sich die Größe ändert, mit 80–91 % Quantenausbeute und Linienbreiten nahe 100 meV.“
Mögliche Anwendungen von Infrarot-Quantenpunkten
Die einzigartige Größe kleiner Quantenpunkte, kombiniert mit ihren einstellbaren elektronischen Eigenschaften, macht QDs für neue Technologien und eine Vielzahl von Anwendungen sehr attraktiv.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, einen Regenbogen aus hellen und reinen Farben zu emittieren, ihres hohen Extinktionskoeffizienten und ihrer hohen Effizienz sind Quantenpunkte besonders wichtig für optische Anwendungen, wie zum Beispiel LED-Leuchten, Displays und Photovoltaik. Beim Einsatz bei der Entwicklung fortschrittlicher Anzeigebildschirme verbessert die Technologie die Farbgenauigkeit und Helligkeit.
Sicherheit und Überwachung sind ein weiterer Sektor, in dem sie die Nachtsichtfähigkeit verbessern und dabei helfen können, Personen oder Objekte in dunklen oder verdeckten Umgebungen zu identifizieren. In der Automobilindustrie können sie dazu beitragen, Fahrerassistenzsysteme zu verbessern und die Sicherheit beim Fahren in der Nacht zu erhöhen. Sie können auch Schadstoffe in der Umwelt erkennen und Verunreinigungen in Wasserquellen.
Aufgrund der geringen Größe von Quantenpunkten, die auch eine höhere Zustandsdichte als höherdimensionale Strukturen bedeutet, müssen Elektronen keine weiten Strecken zurücklegen, was zu schnelleren elektronischen Geräten führt. Diese einzigartigen elektronischen Eigenschaften sind besonders nützlich für Solarzellen, Transistoren, Quantencomputer sowie ultraschnelle rein optische Schalter und Logikgatter.
Aufgrund ihrer geringen Größe eignen sich QDs auch für verschiedene biomedizinische Anwendungen wie Biosensoren und medizinische Bildgebung. Im Gegensatz zu fluoreszenzbasierten Biosensoren können solche auf Basis von Quantenpunkten ein ganzes Spektrum hellerer Lichter aussenden und weisen dabei im Laufe der Zeit nur eine geringe Verschlechterung auf. Dieser macht sie für biomedizinische Anwendungen wirklich nützlich.
Der Forschung zufolge könnten die neuen Materialien, Nanokristalle aus Quecksilberdiselenid (HgSe) und Quecksilbercadmiumdiselenid (HgCdSe), zu Bildgebungstechniken der nächsten Generation führen.
Infrarot-Quantenpunkte können mehrere Branchen revolutionieren, indem sie die Entwicklung von Bildgebungsverfahren der nächsten Generation ermöglichen. In der medizinischen Bildgebung können Infrarot-Quantenpunkte beispielsweise zur Früherkennung von Tumoren und Krebszellen eingesetzt werden, bei der nichtinvasiven Bildgebung von Geweben und Organen mit klareren und detaillierteren Bildern helfen und bei Operationen zur Verbesserung der Präzision und der Ergebnisse eingesetzt werden.
Im Gesundheitssektor können Infrarot-Quantenpunkte außerdem zur Zellverfolgung, Visualisierung und Untersuchung des Verhaltens von Molekülen innerhalb von Zellen eingesetzt werden. Wie die Forschung zeigte, ist der wichtigste Einsatz von Infrarot-Quantenpunkte könnten für molekulare Sonden verwendet werden.
Die meisten Quantenpunkte emittieren im sichtbaren Spektrum und können daher nur an der Oberfläche erkannt werden. Infrarotlicht ermöglicht um tiefere Gewebe zu untersuchen. Diesen Weg, Quantenpunkte, die im Infrarotbereich emittieren, ermöglichen es den Forschern, fast vollständig durch beispielsweise ein lebendes Nagetier hindurchzusehen, das als Standardmodell für die meisten Krankheiten verwendet wird, und die Position bestimmter Moleküle im gesamten Körper zu identifizieren, ohne die Mäuse zu töten.
Alle diese Anwendungen führen zu einem besseren Verständnis biologischer Prozesse, des menschlichen Körpers und der Krankheitsmechanismen und ermöglichen wiederum bessere und individuellere Lösungen und Pflege.
Darüber hinaus kann die Infrarotbildgebung mit Quantenpunkten auch zur Analyse von Materialien und Komponenten eingesetzt werden, Sicherstellung der Produktqualität bei der Herstellung, Verbesserung der Auflösung von Teleskopen und Unterstützung bei der Navigation und dem Betrieb von Raumfahrzeugen.
Namhafte Unternehmen, die mit Bildgebungstechniken und Infrarot-Quantenpunkten arbeiten
Werfen wir nun einen Blick auf die Unternehmen, die bei der Weiterentwicklung von Bildgebungstechniken und der Arbeit mit Quantenpunkten führend sind:
# 1. QD-Vision
Dieses Unternehmen ist für seine Quantenpunkttechnologie bekannt, insbesondere in Display- und Bildgebungsanwendungen. Mitbegründer: Moungi Bawendi vor einem Jahrzehnt, das Unternehmen hat an der Kommerzialisierung von QDs über Color IQ gearbeitet.
Zurück in 2016, Samsung Electronics erwarb das geistige Eigentum von QD Vision für 70 Millionen Dollar, die Hunderte von Patenten umfasste. Mit diesem strategischen Schritt sollte die langfristige Vision des Unternehmens für seine Display-, TV- und möglicherweise anderen Geschäftsbereiche unterstützt werden. Damals sagte Samsung, dass das geistige Eigentum von QD Vision Teil der Forschungs- und Entwicklungsbemühungen des in Korea ansässigen Unternehmens zur Entwicklung fortschrittlicher Implementierungen von QD-Fernsehern werden würde. Die QLED-Displays von Samsung versprechen eine beispiellose Farbleistung und außergewöhnliche Bildqualität und „eröffnen einen Strom neuer Möglichkeiten für die Zukunft“.
Im ersten Quartal 1 meldete Samsung einen Anstieg des Betriebsgewinns um 2024 % im Vergleich zum ersten Quartal 933. Der Technologieriese erwartet für das zweite Quartal 1 eine 23-fache Steigerung des Betriebsgewinns, getrieben von den Halbleiterpreisen dank des KI-Booms. Trotzdem werden Samsung-Aktien (SMSN) bei 15 USD gehandelt, was einem Anstieg von nur 2 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 24 %.
# 2. Nanoco-Gruppe
Nanoco ist an der Londoner Börse unter dem Tickersymbol NANO notiert und ist auf die Entwicklung und Herstellung von Quantenpunkten und anderen Nanomaterialien spezialisiert. Die Aktie notiert bei 0.1949 US-Dollar und ist damit seit Jahresbeginn um 12.38 % gefallen. ein EPS (TTM) von 0.06 und ein KGV (TTM) von 3.32.
Das Unternehmen kaufte kürzlich 330,133 seiner Stammaktien zurück, was wird abgebrochen 205,038,038 Stammaktien im Umlauf zu lassen, ein Schritt zur Steigerung des Aktionärswerts. Während der Telefonkonferenz zum 2. Quartal 24 sprach CEO Brian Tenner darüber, dass Nanoco zwei kommerzielle Produktionsaufträge erhalten und erfüllt hat. Obwohl es sich um Aufträge mit geringem Volumen handelt, bedeutet dies, dass Nanoco tatsächlich zu einem echten Produktionsunternehmen wird und „erwartet, dass Nachfrage und Volumen … mit der Zeit steigen“. Das Unternehmen unterzeichnete außerdem zwei gemeinsame Entwicklungsvereinbarungen mit globalen Kunden über zwei verschiedene Nanomaterialien der zweiten Generation für den Einsatz in der Infrarotsensorik.
Die Kerntechnologie von Nanoco umfasst CFQD®-Quantenpunkte, die aus fluoreszierenden Halbleiter-Nanopartikeln bestehen, und HEATWAVETM-Quantenpunkte, die sind speziell entwickelt für den Einsatz in der Sensorindustrie. Während erstere Anwendungen in OLED-Farbkonvertierung, μLED-Farbkonvertierung und optische Sicherheitsmarkierung. Letztere Technologie ist für biometrische Gesichtserkennung, optische Diagnostik, Nachtsicht, Entfernungsmessung und LiDAR-Anwendungen gedacht.
Abschließende Überlegungen
Wie wir gesehen haben, verspricht die Quantenpunkttechnologie erhebliche Fortschritte in allen Branchen. Forscher erforschen derzeit weitere Quantenpunkte, wie etwa Infrarot-Quantenpunkte, die einzigartige Anwendungen haben, insbesondere in der biologischen Bildgebung. Da die Nachfrage nach Quantenpunkten weiter wächst und ihr Markt wächst, werden wir noch mehr Fortschritte auf dem Gebiet der Quantenpunkte sehen, die die Fähigkeit, die Bereiche Medizin, Energie, Sensorik und Unterhaltungselektronik zu revolutionieren.
