Квантовые точки (КТ) - это искусственные наноразмерные кристаллы, которые могут переносить электроны.
Когда ультрафиолетовый свет попадает на эти полупроводниковые наночастицы, они могут излучать свет разных цветов. Эти искусственные полупроводниковые наночастицы, нашли применение в композитах, солнечных элементах и флуоресцентных биологических метках.
Наночастицы полупроводников - квантовые точки - были теоретизированы в 1970-х годах и первоначально созданы в начале 1980-х годов. Если полупроводниковые частицы сделаны достаточно маленькими, в игру вступают квантовые эффекты, которые ограничивают энергии, при которых электроны и дырки (отсутствие электрона) могут существовать в частицах. Поскольку энергия связана с длиной волны (или цветом), это означает, что оптические свойства частицы могут быть точно настроены в зависимости от ее размера. Таким образом, частицы могут быть созданы для испускания или поглощения определенных длин волн (цветов) света, просто контролируя их размер.
Квантовые точки - это кристаллы, которые способны преобразовывать спектр света в разные цвета
Квантовые точки - это наноразмерные искусственные кристаллы, которые способны преобразовывать спектр света в разные цвета. Каждая точка излучает свой цвет в зависимости от ее размера.
Квантовые точки - это искусственные наноструктуры, которые могут обладать множеством различных свойств в зависимости от их материала и формы. Например, благодаря своим специфическим электронным свойствам они могут использоваться в качестве активных материалов в одноэлектронных транзисторах.
Свойства квантовой точки определяются не только ее размером, но также ее формой, составом и структурой, например, если она сплошная или полая. Надежная технология производства, использующая свойства квантовых точек имеет широкий спектр применения в таких областях, как катализ, электроника, фотоника, хранение информации, обработка изображений, медицина или зондирование. Технология должна способна производить большое количество нанокристаллов, где каждая партия производится по точно таким же параметрам.
Поскольку некоторые биологические молекулы способны к молекулярному распознаванию и самосборке, нанокристаллы также могут стать важным строительным блоком для самоорганизующихся функциональных наноустройств.
Кроме того, атомные энергетические состояния КТ способствуют особым оптическим свойствам, таким как длина волны флуоресценции, зависящая от размера частиц; эффект, который используется при изготовлении оптических зондов для биологической и медицинской визуализации.
До настоящего времени использование в биоаналитике и биоэтикетировании нашло самый широкий спектр применений для коллоидных КТ. Хотя первое поколение квантовых точек уже указывало на их потенциал, потребовалось много усилий для улучшения основных свойств, в частности коллоидной стабильности в солесодержащем растворе. Первоначально, квантовые точки использовались в очень искусственных средах, и эти частицы просто выпали бы в «настоящие» образцы, такие как кровь. Эти проблемы были решены, и КТ нашли многочисленные применения в реальных приложениях.
Квантовые точки нашли применение в композитах, солнечных элементах (ячейках Гретцеля) и флуоресцентных биологических метках (например, для отслеживания биологической молекулы), которые используют как мелкий размер частиц, так и настраиваемые уровни энергии.
Достижения в области химии привели к получению защищенных монослоем высококачественных монодисперсных кристаллических квантовых точек диаметром до 2 нм, которые можно удобно обрабатывать и обрабатывать как типичный химический реагент.
Квантовые точки в медицине
Квантовые точки позволяют исследователям изучать клеточные процессы на уровне одной молекулы и могут значительно улучшить диагностику и лечение таких заболеваний, как рак. КТ либо используются в качестве активных сенсорных элементов в клеточной визуализации высокого разрешения, где флуоресцентные свойства квантовых точек изменяются при реакции с аналитом, либо в зондах с пассивной меткой, где селективные молекулы рецептора, такие как антитела, были конъюгированы с поверхностью точки
Квантовые точки могут революционизировать медицину. К сожалению, большинство из них токсичны. По иронии судьбы, наличие тяжелых металлов в КТ, таких как кадмий, общеизвестный токсикант для человека и канцероген, представляет потенциальную опасность, особенно для будущего медицинского применения, когда qdots преднамеренно вводят в организм.
Поскольку использование наноматериалов для биомедицинских применений расширяется, необходимо учитывать загрязнение окружающей среды и токсичность, а разработка нетоксичного и биосовместимого наноматериала становится важной проблемой.
Квантовые точки в фотовольтаике
Привлекательность использования квантовых точек для изготовления солнечных элементов заключается в нескольких преимуществах по сравнению с другими подходами: они могут быть изготовлены в процессе энергосбережения при комнатной температуре. Они могут быть изготовлены из обильных недорогих материалов, которые не требуют интенсивной очистки, как кремний; и их можно наносить на различные недорогие и даже гибкие материалы подложки, такие как легкие пластмассы.
Хотя использование квантовых точек в качестве основы для солнечных элементов не является новой идеей, попытки сделать фотоэлектрические устройства еще не достигли достаточно высокой эффективности преобразования солнечного света в энергию.
Перспективным путем для солнечных элементов с квантовыми точками являются полупроводниковые чернила с целью обеспечения возможности нанесения покрытия на большие площади подложек солнечных элементов за один этап осаждения и, таким образом, устранения десятков этапов осаждения, необходимых с помощью предыдущего послойного метода.
Графеновые квантовые точки
Поэтому графен, который в основном представляет собой развернутую плоскую форму углеродной нанотрубки, стал чрезвычайно интересным материалом-кандидатом для наноразмерной электроники. Исследователи показали, что наноразмерные транзисторы можно вырезать из одного кристалла графена (то есть квантовых точек графена). В отличие от всех других известных материалов, графен остается очень стабильным и проводящим, даже когда его режут на устройства шириной в один нанометр.
Квантовые точки графена (GQD) также демонстрируют большой потенциал в области фотоэлектроники, фотоэлектрической энергетики, биосенсирования и биовизуализации благодаря их уникальным свойствам фотолюминесценции (ФЛ), включая превосходную биосовместимость, низкую токсичность и высокую устойчивость к фотообесцвечиванию и фотосвязыванию.
Ученые все еще работают над поиском эффективных и универсальных методов синтеза GQD с высокой стабильностью, контролируемыми свойствами поверхности и настраиваемой длиной волны излучения ФЛ.
Перовскитные квантовые точки
Люминесцентные квантовые точки (LQD), которые обладают высокими квантовыми выходами фотолюминесценции, гибким контролем цвета излучения и технологичностью решения, являются перспективными для применений в системах освещения (теплый белый свет без ультрафиолетового и инфракрасного излучения) и дисплеев высокого качества.
Однако коммерциализация LQD сдерживалась чрезмерно высокой стоимостью их производства. В настоящее время LQD готовятся методом HI, требующим высокой температуры и тщательной обработки поверхности, чтобы улучшить как оптические свойства, так и стабильность.
Хотя системы квантовых точек на основе неорганического галогенида и перовскита продемонстрировали сопоставимые и даже лучшие характеристики, чем традиционные КТ во многих областях.
Благодаря подготовке высокоизлучающих неорганических квантовых точек перовскита (IPQD) при комнатной температуре, превосходные оптические достоинства IPQD могут привести к многообещающему применению в освещении и дисплеях.
Квантовые точечные телевизоры и дисплеи
В настоящее время наиболее широко используемым применением квантовых точек могут быть экраны телевизоров. Samsung и LG выпустили свои телевизоры QLED в 2015 году, и вскоре после этого такие же технологии применили и несколько других компаний.
Квантовые точки, поскольку они являются фотоактивными (фотолюминесцентными) и электроактивными (электролюминесцентными) и обладают уникальными физическими свойствами, будут в основе дисплеев следующего поколения . По сравнению с органическими люминесцентными материалами, используемыми в органических светоизлучающих диодах (OLED), материалы на основе QD имеют более чистые цвета, более длительный срок службы, более низкие производственные затраты и более низкое энергопотребление. Другое ключевое преимущество заключается в том, что, поскольку КТ можно наносить практически на любую подложку, можно ожидать печатных и гибких, даже свертываемых, дисплеев с квантовыми точками любых размеров.
