Kızılötesi Kuantum Noktalarıyla Yeni Nesil Görüntüleme Teknikleri Oluşturmak

Kuantum noktaları (QD) teknolojisi aydınlatma ve teşhir endüstrilerini dönüştürüyor. Nanoteknoloji ve malzeme biliminde popüler bir konuşma konusu olan bu yarı iletken nanokristaller, boyutları birkaç nanometre kadar küçük olan gerçekten küçük yarı iletken parçacıklardır. 

Elektronik ve optik özellikleri toplu ayrık atomlar ve yarı iletkenler arasındadır. Bu özellikler aslında bu QD'lerin hem boyutuna hem de şekline bağlıdır. Örneğin, 5-6 nm boyutundaki daha büyük kuantum noktaları, 2-3 nm boyutundaki daha küçük QD'lerin yaydığı daha kısa dalga boylarına kıyasla daha uzun dalga boyları yayar. Ayrıca, önceki QD'ler turuncu veya kırmızı renkler verirken, ikincisi mavi ve yeşil renkler verir. Ancak bu renklerin özgüllüğü kuantum noktalarının bileşimine bağlıdır. 

QD'ler, bir kutu modelindeki 3 boyutlu parçacıklara çok benzeyen, sıkı bir şekilde sınırlandırılmış elektronlara veya elektron deliklerine sahip nano ölçekli yarı iletken malzemelerdir. Bu QD'lerden iki veya daha fazlasını birleştirerek, yapay bir molekül de oluşturulabilir. Bu arada, bunların hassas bir şekilde bir araya getirilmesi, benzersiz optik ve elektronik özelliklere sahip, yapay katı hal malzemeleri gibi davranan süper kafesler oluşturabilir. kontrol edilmek. 

Geçtiğimiz yıl, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov ve Louis E. Brus, kuantum noktalarının keşfi ve geliştirilmesinden dolayı Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldüler. Ancak kuantum noktaları teknoloji kadar yeni değil. İlk olarak onlarca yıl önce, 1980'de keşfedildiler ve kuantum noktalarının LCD'lerde uzaktan fosfor olarak kullanılmasının üzerinden yıllar geçti.

Kuantum noktalarının potansiyel uygulaması ekranlarla sınırlı değildir. herhangi biri. Daha da uzatıyorlar LED'lere, lazerlere, güneş pillerine, tek foton kaynaklarına, tek elektron transistörlerine, mikroskopiye, biyo görüntülemeye, hücre biyolojisi araştırmalarına ve kimyasal reaksiyon katalizine. 

Çeşitli endüstrilerde enerji tasarruflu aydınlatma çözümlerine ve yüksek kaliteli görüntüleme cihazlarına yönelik artan talebin etkisiyle, QD pazarı öngörülüyor önümüzdeki yıllarda %17.40'lık bir Bileşik Büyüme Oranı ile etkileyici bir büyüme göreceğiz. QD'nin küresel pazar büyüklüğü öngörülüyor Bu on yılın sonundan önce 12.34 milyar dolara ulaşacak. 

Geniş uygulamaları ve beklenen pazar büyüklüğü büyümesi göz önüne alındığında, kuantum noktaları birçok araştırma ve deneyin konusu olmuştur. Ancak bu esas olarak görünür spektrumda olmuştur. Bu, ultraviyole ve ışın teknolojisi hakkında keşfedilecek çok şey olduğu anlamına geliyor. kızılötesi bölgeler.

Kızılötesi teknoloji Birçok kullanım durumu vardır; bu nedenle uygun maliyetli, geliştirilmesi kolay ve kullanımı kolay ürünlere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. ayarlanabilir ve kızılötesi aktif optoelektronik malzemeler. Bu kızılötesi kuantum noktalarının geliştirilmesine yol açtı. Kuantum sınırlama etkisi nedeniyle kızılötesi kuantum noktalarının bant aralıkları ayarlı olmak ihtiyaç duyulduğunda boyutsal kısıtlamalar yoluyla.

Güneş yakıtları ve fotovoltaiklerde olduğu gibi kızılötesi emiciler ve biyolojik görüntüleme ve ışık yayan diyotlarda olduğu gibi kızılötesi ışık yayıcılar olarak kızılötesi kuantum noktalarının geliştirilmesindeki ilerleme, QD'lerin yeni ortaya çıkan uygulamalara uygulanmasını kolaylaştırmak.

Nanoteknolojinin gelişimine öncülük eden ilk beş şirketin listesi için buraya tıklayın. 

Yüksek Kaliteli Nanokristallerin Geliştirilmesi

Şimdi, Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nde biyomühendislik profesörü olan Andrew Smith ve doktora sonrası araştırmacı Wonseok Lee, yeni yüksek kaliteli nanokristal ürünler geliştirdi.

Yayınlanan Nature Synthesis'de yer alan ve Ulusal Sağlık Enstitüleri ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen araştırma, görünür ışık spektrumundakilerle aynı yüksek standartlara sahip kızılötesi QD'lerin ilk örneğiydi.

Nanokristal teknolojisinin var olmasından bu yana neredeyse yarım yüzyıl geçmesine rağmen, nanokristallerin çalışmasında yalnızca ilerleme gördük. Spektrumun görünür kısmında. Bu "görüntü cihazlarının büyük bir parçası" oldukları göz önüne alındığında mantıklıdır.

Smith'in de paylaştığı gibi, herhangi bir teknolojinin en büyük kısmı ışık yayan veya soğurandır. Bu nedenle, odak noktası bir teknoloji geliştirmeye odaklanmıştır. günümüzün en büyük pazarı. 

Ama bu hepsi değil. Görünür spektrumlu nanokristallerin çok daha yüksek talebe sahip olmasının yanı sıra, kızılötesinde kullanılan malzemelerin kimyası da daha zordur. Bu görünür spektrumda ışıktan daha düşük enerji ve daha uzun dalga boylarını içerir. 

Kızılötesinde ışık yayılımını ve soğurulmasını gerçekleştirmek, kimyası zor olan daha ağır elementler gerektirir. Bu daha az öngörülebilir reaksiyonlar ve daha fazla istenmeyen yan reaksiyonlar anlamına gelir. 

İşin sonu bile değil. Bu ağır elementler bozulmaya daha yatkındır. Hatta ortamdaki çevresel değişikliklere bile duyarlıdırlar. su gibi.

Kuantum nokta nanokristalleri söz konusu olduğunda, yapılmak silikon gibi temel yarı iletkenlerden veya yapılmak iki öğeden (ikili) veya üç öğeden (üçlü) oluşur. İki elementin karıştırılmasıyla birlikte, birkaç farklı özellik elde edilebilirve üçünü birleştirerek, daha da fazla özellik gerçekleştirilebilir.

Illinois Üniversitesi sisteminin amiral gemisi olan bu kurumda, araştırmacılar, "mükemmel" malzeme olabileceğine inandıkları tek bir element türüne odaklandılar. Buradaki malzeme cıva kadmiyum selenür. Smith'e göre:

"Temel olarak kadmiyum ve cıva atomlarının oranını değiştirerek istediğiniz özelliği elde edebilirsiniz. Elektromanyetik spektrumun bu kadar geniş bir aralığını (kızılötesinin tamamından görünür spektrumun tamamına kadar) kapsayabilir ve pek çok özelliğe sahip olabilir."

Zaten Geliştirilmiş QD'yi Kullanma 

Yüksek kaliteli kızılötesi kuantum noktalarının geliştirilmesi aslında yıllar süren bir çalışmadır. Smith'in lisansüstü eğitiminden bu yana işin içinde olmasıyla, araştırma topluluğu uzun bir süredir bunu başarmaya çalışıyor. Ama hiçbir çaba olmadı şu ana kadar başarılı.

Sonunda Illinois Üniversitesi'nden araştırmacılar yeni bir materyal oluşturmayı başardılar. Bunu başardılar zaten mükemmelleştirilmiş bir şeyi alarak. Peki, ne aldılar düşünülmektedir en gelişmiş kuantum noktası olduğunu ve Smith'in 'kurban kalıbı' olarak adlandırdığı şeyi kullandığını söyledi.

Kadmiyum selenit (CdSe), n-tipi II-VI yarı iletken olarak sınıflandırılan inorganik bir bileşiktir. Kızılötesi (IR) ışığa karşı şeffaftır ve oldukça parlaktır ancak fotodirençlerde sınırlı kullanım görmüştür.

Araştırmanın belirttiği gibi, CdSe bazlı koloidal yarı iletken nanokristaller hassas bir şekilde optimize edildi görünür spektrumdaki fotonik uygulamalar için. Modern ürünler aslında neredeyse yüzde yüze yakın kuantum verimiyle yapısal tekdüzelik sergiliyor. 

Ekip şimdi kadmiyum selenit aldı ve kadmiyum (Cd) atomlarını cıva (Hg) atomlarıyla değiştirdi. Bu, güçlü ışık emisyonu ve güçlü ışık emilimi de dahil olmak üzere istenen tüm nitelikleri korurken, anında her şeyi kızılötesi spektruma dönüştürdü.

Için Bunu başarmak için araştırmacılar geleneksel olanı bir kenara atmak zorunda kaldılar. yol nanokristallerin sentezlenmesi. Geleneksel yöntem, ilk önce öncü elementlerin karıştırılmasını ve ardından doğru koşullar altında bunların istenen nanokristal yapıya parçalanmasını içerir. 

Ancak selenit, cıva ve kadmiyum için hiçbir koşulun işe yaradığı görülmedi. Bu nedenle, doktora sonrası araştırmacı Lee, interdifüzyonla geliştirilmiş katyon değişimi adı verilen yeni bir yöntem geliştirdi.

Ekip bu süreçte malzemeye kusur getiren dördüncü unsur olarak gümüşü ekledi. BuSmith, "her şeyin karışmasına neden oldu" dedi birlikte homojen olarak. Bu da tüm sorunu çözdü.”

Sonunda ekip, kızılötesi spektrumda yayan ve emen cıva selenit (HgSe) ve cıva kadmiyum selenit (HgCdSe) nanokristallerini geliştirdi. Halihazırda iyi geliştirilmiş olan görünür spektrumlu CdSe öncüllerinden geliştirilen yeni malzemeler, emilimi artırırken kadmiyum selenit nanokristallerinin şekli, boyutu ve tekdüzeliği dahil olmak üzere istenen özellikleri korudu.

Bu homojen nanokristaller, HgSe ve HgxCd1−xSe alaşımları aynı zamanda kızılötesi spektrumda ayarlanabilir bant aralıklarına sahiptir. Araştırmaya göre, "heteroepitaksiyel CdZnS kabukları ile pasifleştirmeden sonra, fotolüminesans dalga boyları, kısa dalga kızılötesinde, boyut değiştirmeden, %80-91 kuantum verimi ve 100 meV'ye yakın çizgi genişlikleri ile bileşime göre ayarlanabilir."

Kızılötesi Kuantum Noktalarının Potansiyel Uygulamaları 

Küçük kuantum noktalarının benzersiz boyutu, ayarlanabilir elektronik özellikleriyle birleştiğinde, QD'leri yeni teknolojiler ve çeşitli uygulamalar için çok çekici kılmaktadır. 

Parlak ve saf renklerden oluşan bir gökkuşağı yayma yetenekleri sayesinde, yüksek sönüm katsayıları ve yüksek verimlilikleri, kuantum noktalarını optik uygulamalar için özellikle önemli kılmaktadır. LED ışıklar, ekranlar ve fotovoltaikler. Gelişmiş görüntü ekranlarının geliştirilmesinde kullanıldığında bu teknoloji, renk doğruluğunu ve parlaklığını artırır.

Güvenlik ve gözetim, gece görüş yeteneklerini geliştirebilecekleri ve karanlık veya belirsiz ortamlarda bireylerin veya nesnelerin tanımlanmasına yardımcı olabilecekleri başka bir sektördür. Otomotiv endüstrisinde bu, sürücü destek sistemlerinin geliştirilmesine ve gece sürüş güvenliğinin iyileştirilmesine yardımcı olabilir. Ayrıca çevredeki kirleticileri de tespit edebilirler. Su kaynaklarındaki kirleticiler.

Kuantum noktalarının küçük boyutları, aynı zamanda daha yüksek boyutlu yapılara kıyasla daha keskin bir durum yoğunluğuna sahip olmaları nedeniyle, elektronların çok uzağa gitmesine gerek kalmıyor; bu da daha hızlı çalışabilen elektronik cihazlar anlamına geliyor. Bu benzersiz elektronik özellikler özellikle güneş pilleri, transistörler, kuantum hesaplama ve ultra hızlı tüm optik anahtarlar ve mantık kapıları için kullanışlıdır.

QD'lerin küçük boyutu, onları biyosensörler ve tıbbi görüntüleme gibi farklı biyomedikal uygulamalar için de uygun hale getirir. Floresansa dayalı biyosensörlerin aksine, kuantum noktalarına dayalı olanlar, zaman içinde çok az bozulma yaşarken daha geniş bir yelpazede daha parlak ışıklar yayabilir. Bu biyomedikal uygulamalarda onları gerçekten faydalı kılmaktadır.

Araştırmaya göre, yeni malzemeler, cıva selenit (HgSe) ve cıva kadmiyum selenit (HgCdSe) nanokristalleri, yeni nesil görüntüleme tekniklerine yol açabilir.

Kızılötesi kuantum noktaları, yeni nesil görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesine olanak sağlayarak birçok endüstride devrim yaratabilir. Örneğin, tıbbi görüntülemede kızılötesi kuantum noktaları, tümörleri ve kanser hücrelerini erkenden tespit etmek, doku ve organların daha net ve daha ayrıntılı görüntülerle noninvaziv olarak görüntülenmesine yardımcı olmak ve ameliyat sırasında hassasiyeti ve sonuçları iyileştirmek için kullanılabilir.

Sağlık sektöründe kızılötesi kuantum noktaları ayrıca hücre takibi, görselleştirme ve hücre içindeki moleküllerin davranışlarının incelenmesi için de kullanılabilir. Araştırmanın işaret ettiği gibi, en önemli kullanım alanı kızılötesi kuantum noktaları moleküler sondalar için olabilir.

Çoğu kuantum noktası görünür spektrumda yayılır ve yalnızca yüzey tespitine izin verir. Ancak kızılötesi ışık sağlayacaktır Daha derin dokuların araştırılması için. Bu yoldanKızılötesinde yayılan kuantum noktaları, araştırmacıların, örneğin çoğu hastalık için standart model olarak kullanılan canlı bir kemirgenin neredeyse tamamını görmesine ve fareleri feda etmeden vücuttaki belirli moleküllerin konumlarını belirlemesine olanak tanır.

Tüm bu kullanımlar biyolojik süreçlerin, insan vücudunun ve hastalık mekanizmalarının daha iyi anlaşılması ve dolayısıyla daha iyi ve daha kişiselleştirilmiş çözüm ve bakım anlamına gelir. 

Tüm bunlara ek olarak kuantum noktalı kızılötesi görüntüleme, malzeme ve bileşenlerin analizinde de kullanılabiliyor. Üretimde ürün kalitesini garanti eder, teleskopların çözünürlüğünü artırır ve uzay aracının navigasyonuna ve çalışmasına yardımcı olur.

Görüntüleme Teknikleri ve Kızılötesi Kuantum Noktaları ile Çalışan Öne Çıkan Firmalar

Şimdi görüntüleme tekniklerini ilerletmede ve kuantum noktalarıyla çalışmada öncü olan şirketlere bir göz atalım:

# 1. QD Vizyonu

Bu şirket, özellikle ekran ve görüntüleme uygulamalarındaki kuantum nokta teknolojisiyle tanınıyor. Moungi Bawendi'nin kurucularından on yıl önce, Şirket Color IQ aracılığıyla QD'leri ticarileştirme üzerinde çalışıyor. 

Geri 2016 içinde, Samsung Electronics, QD Vision'ın IP'sini 70 milyon dolara satın aldıYüzlerce patent içeren bu stratejik hamle, şirketin ekran, TV ve muhtemelen diğer iş alanlarına yönelik uzun vadeli vizyonunu desteklemek amacıyla atılmış bir adımdı. O dönemde Samsung, QD Vision'ın fikri mülkiyet haklarının, Kore merkezli şirketin QD TV'lerin gelişmiş uygulamalarını geliştirme amaçlı Ar-Ge çalışmalarının bir parçası olacağını açıklamıştı. Samsung'un QLED ekranları, benzersiz renk performansı ve olağanüstü görüntü kalitesi sunarak "gelecek için yeni olasılıklar sunuyor."

Samsung, 1'ün ilk çeyreğinde, faaliyet kârında 2024. çeyreğe kıyasla %933 artış bildirdi. Teknoloji devi, yapay zeka patlaması sayesinde yarı iletken fiyatlarının etkisiyle 1Ç23'te faaliyet karında 15 kat artış bekliyor. Buna rağmen Samsung hisseleri (SMSN) yılbaşından bu yana yalnızca %2 artışla 24 dolardan işlem görüyor. Şirket %1,581 temettü getirisi ödüyor.

# 2. Nanoko Grubu

Londra Menkul Kıymetler Borsası'nda NANO kodu altında listelenen Nanoco, kuantum noktalarının ve diğer nanomateryallerin geliştirilmesi ve üretiminde uzmanlaşmıştır. 0.1949 dolardan işlem gören hisseler yılbaşından bu yana %12.38 düşüşle EPS (TTM) 0.06 ve F/K (TTM) 3.32.

Şirket yakın zamanda 330,133 adi hissesini geri satın aldı. iptal edilecek Hissedar değerini artırmak için yapılan bir hamle olarak 205,038,038 Adi Hissenin piyasada bırakılması. 2Ç24 kazanç görüşmesi sırasında CEO Brian Tenner, Nanoco'nun iki ticari üretim siparişini alıp yerine getirdiğinden bahsetti. Düşük hacimli siparişler olsa da bu, Nanoco'nun aslında gerçek bir üretim şirketine geçiş yaptığı ve "talep ve hacmin zamanla artmasını beklediği" anlamına geliyor. Şirket ayrıca küresel müşterilerle kızılötesi algılamada kullanılmak üzere iki farklı ikinci nesil nanomateryal içeren iki ortak geliştirme anlaşması imzaladı. 

Nanoco'nun temel teknolojisi, floresan yarı iletken nanoparçacıklardan oluşan CFQD® kuantum noktalarını ve HEATWAVETM kuantum noktalarını içerir. özel olarak tasarlanmıştır sensör endüstrisinde kullanım için. İlkinin uygulamaları varken OLED renk dönüşümü, μLED renk dönüşümü ve optik güvenlik etiketleme, bu son teknoloji Biyometrik yüz tanıma, optik teşhis, gece görüşü, mesafe bulma ve LiDAR uygulamaları içindir.

Son Düşüncelerimiz 

Gördüğümüz gibi kuantum noktaları teknolojisi endüstriler arasında önemli ilerlemeler vaat ediyor. Araştırmacılar, özellikle biyolojik görüntülemede benzersiz uygulamalara sahip olan kızılötesi kuantum noktaları gibi kuantum noktalarını daha fazla araştırıyorlar. Kuantum noktalarına olan talep artmaya ve pazar büyüklükleri büyümeye devam ettikçe, kuantum noktaları alanında daha da fazla ilerleme göreceğiz. tıp, enerji, sensörler ve tüketici elektroniğinde devrim yaratma yeteneği.