Kvantpunktid on uus kuvatehnoloogia. kvantpunkt

Arvukad 20. sajandi teisel poolel ilmunud spektroskoopilised meetodid – elektron- ja aatomijõumikroskoopia,ia, massispektromeetria – näivad olevat traditsioonilise optilise mikroskoopia juba ammu pensionile saatnud. Fluorestsentsnähtuse oskuslik kasutamine pikendas aga "veterani" eluiga rohkem kui üks kord. See artikkel räägib sellest kvantpunktid(fluorestseeruvad pooljuhtide nanokristallid), mis andsid optilisse mikroskoopiasse uued jõud ja võimaldasid vaadata kurikuulsast difraktsioonipiirist kaugemale. Kvantpunktide ainulaadsed füüsikalised omadused muudavad need ideaalseks bioloogiliste objektide ülitundlikuks mitmevärviliseks registreerimiseks, aga ka meditsiiniliseks diagnostikaks.

Ettekandes antakse ideid kvantpunktide ainulaadseid omadusi määravatest füüsikalistest põhimõtetest, nanokristallide kasutamise peamistest ideedest ja väljavaadetest ning räägitakse juba saavutatud edusammudest nende rakendamisel bioloogias ja meditsiinis. Artikkel põhineb viimastel aastatel Bioorgaanilise Keemia Instituudi molekulaarbiofüüsika laboris tehtud uuringute tulemustel. MM. Shemyakin ja Yu.A. Ovtšinnikovi eesmärk oli koos Reimsi ülikooli ja Valgevene Riikliku Ülikooliga töötada välja uue põlvkonna biomarkerite tehnoloogia erinevates kliinilise diagnostika valdkondades, sealhulgas vähi ja autoimmuunhaiguste jaoks, ning luua uut tüüpi nanosensoreid samaaegseks registreerimiseks. paljud biomeditsiinilised parameetrid. Teose algversioon avaldati ajakirjas The Nature; Mingil määral põhineb artikkel IBCh RASi noorte teadlaste nõukogu teisel seminaril. - Toim.

I osa, teoreetiline

Joonis 1. Diskreetsed energiatasemed nanokristallides."tahke" pooljuht ( vasakule) on valentsriba ja juhtivusriba, mis on eraldatud ribavahega Nt. Pooljuht nanokristall ( paremal) iseloomustavad diskreetsed energiatasemed, mis on sarnased üksiku aatomi energiatasemetega. Nanokristallis Nt on suuruse funktsioon: nanokristalli suuruse suurenemine toob kaasa vähenemise Nt.

Osakeste suuruse vähendamine toob kaasa materjali väga ebatavaliste omaduste ilmnemise, millest see on valmistatud. Selle põhjuseks on kvantmehaanilised efektid, mis tekivad siis, kui laengukandjate liikumine on ruumiliselt piiratud: kandjate energia muutub sel juhul diskreetseks. Ja energiatasemete arv, nagu õpetab kvantmehaanika, sõltub "potentsiaalikaevu" suurusest, potentsiaalibarjääri kõrgusest ja laengukandja massist. "Kaevu" suuruse suurendamine toob kaasa energiatasemete arvu suurenemise, mis samal ajal muutuvad üksteisele lähedasemaks, kuni nad ühinevad ja energiaspekter muutub "pidevaks" (joon. 1). Laengukandjate liikumist saab piirata mööda ühte koordinaati (moodustab kvantfilme), mööda kahte koordinaati (kvantjuhtmed või -kiud) või mööda kõiki kolme suunda - need on kvantpunktid(CT).

Pooljuhtide nanokristallid on vahestruktuurid molekulaarsete klastrite ja "tahkete" materjalide vahel. Piirid molekulaarsete, nanokristalliliste ja tahkete materjalide vahel ei ole täpselt määratletud; vahemikku 100 ÷ 10 000 aatomit osakese kohta võib aga jämedalt pidada nanokristallide "ülemaks piiriks". Ülemine piir vastab mõõtmetele, mille puhul energiatasemete vaheline intervall ületab soojusvibratsiooni energia kT (k on Boltzmanni konstant, T- temperatuur), kui laengukandjad muutuvad mobiilseks.

Elektrooniliselt ergastatud piirkondade loomuliku pikkuse skaala "pidevates" pooljuhtides määratakse Bohri eksitoni raadiusega a x, mis sõltub elektronide vahelise Coulombi interaktsiooni tugevusest ( e) Ja auk (h). Nanokristallides suurusjärk ise suurus x hakkab mõjutama paari konfiguratsiooni e-h ja sellest ka eksitoni suurus. Selgub, et antud juhul määrab elektroonilised energiad otseselt nanokristalli suurus – seda nähtust tuntakse kui "kvantsulgumise efekti". Seda efekti kasutades saab kontrollida nanokristallide ribade vahet ( Nt), lihtsalt osakeste suurust muutes (tabel 1).

Kvantpunktide ainulaadsed omadused

Füüsikalise objektina on kvantpunktid tuntud juba pikka aega, olles üks tänapäeval intensiivselt arendatud vorme. heterostruktuurid. Kolloidsete nanokristallide kujul olevate kvantpunktide tunnuseks on see, et iga punkt on lahustis isoleeritud ja liikuv objekt. Sellistest nanokristallidest saab ehitada erinevaid assotsiatsioone, hübriide, järjestatud kihte jms, mille baasil elektroonika- ja optoelektrooniliste seadmete elemendid, sondid ja andurid aine mikromahus analüüsimiseks, erinevad fluorestsents-, kemoluminestsents- ja fotoelektrokeemilised nanoskaala andurid. on ehitatud.

Pooljuhtnanokristallide kiire tungimine erinevatesse teaduse ja tehnoloogia valdkondadesse on nende ainulaadsete optiliste omaduste tõttu:

• kitsas sümmeetriline fluorestsentsi tipp (erinevalt orgaanilistest värvainetest, mida iseloomustab pika lainepikkusega "saba"; joonis 2, vasakule), mille asukohta kontrollib nanokristalli suuruse ja koostise valik (joonis 3);
• lai ergastusriba, mis võimaldab ühe kiirgusallikaga ergastada erinevat värvi nanokristalle (joon. 2, vasakule). See eelis on mitmevärviliste kodeerimissüsteemide loomisel põhiline;
• kõrge fluorestsentsi heledus, mille määrab kõrge ekstinktsiooniväärtus ja kõrge kvantsaagis (CdSe/ZnS nanokristallide puhul kuni 70%);
• ainulaadselt kõrge fotostabiilsus (joonis 2, paremal), mis võimaldab kasutada suure võimsusega ergutusallikaid.

Joonis 2. Kaadmium-seleeni (CdSe) kvantpunktide spektraalsed omadused. Vasak: Erinevat värvi nanokristalle saab ergastada ühe allikaga (nool näitab ergastamist argoonlaseriga lainepikkusega 488 nm). Sisend näitab ühe valgusallika (UV-lambi) poolt ergastatud erineva suurusega (ja vastavalt ka värvidega) CdSe / ZnS nanokristallide fluorestsentsi. Paremal: Kvantpunktid on teiste tavaliste värvainetega võrreldes äärmiselt fotostabiilsed, mis hävivad kiiresti fluorestsentsmikroskoobis elavhõbedalambi valgusvihu all.

Joonis 3. Erinevatest materjalidest kvantpunktide omadused. Ülal: Erinevatest materjalidest valmistatud nanokristallide fluorestsentsvahemikud. Alt: Erineva suurusega CdSe kvantpunktid katavad kogu nähtava vahemiku 460–660 nm. Paremalt alumine: Stabiliseeritud kvantpunkti skeem, kus "tuum" on kaetud pooljuhtkesta ja kaitsva polümeerikihiga.

Tootmistehnoloogia

Nanokristallide süntees viiakse läbi prekursorühendite kiire süstimisega reaktsioonikeskkonda kõrgel temperatuuril (300–350 °C) ja sellele järgneva nanokristallide aeglase kasvuga suhteliselt madalal temperatuuril (250–300 °C). Sünteesi “fokuseerimise” režiimis on väikeste osakeste kasvukiirus suurem kui suurte osakeste kasvukiirus, mille tulemusena väheneb nanokristallide suuruste levik , .

Kontrollitud sünteesitehnoloogia võimaldab kontrollida nanoosakeste kuju, kasutades nanokristallide anisotroopiat. Konkreetsele materjalile iseloomulik kristallstruktuur (näiteks CdSe iseloomustab kuusnurkne pakkimine – wurtsiit, joon. 3) vahendab "valitud" kasvusuundi, mis määravad nanokristallide kuju. Nii saadakse nanovardad ehk tetrapoodid – neljas suunas piklikud nanokristallid (joonis 4).

Joonis 4. CdSe nanokristallide erinevad kujud. Vasak: CdSe/ZnS sfäärilised nanokristallid (kvantpunktid); keskel: vardakujulised (kvantvardad). Paremal: tetrapoodide kujul. (Edastuselektronmikroskoopia. Mark – 20 nm.)

Praktilise rakendamise takistused

II–VI rühmade pooljuhtidest pärit nanokristallide praktilist kasutamist takistavad mitmed piirangud. Esiteks sõltub nende luminestsentsi kvantsaagis oluliselt keskkonna omadustest. Teiseks on ka nanokristallide "südamike" stabiilsus vesilahustes madal. Probleem seisneb pinna "defektides", mis mängivad mittekiirguslike rekombinatsioonikeskuste või erutunud "lõksude" rolli. e-h aur.

Nendest probleemidest ülesaamiseks suletakse kvantpunktid kesta, mis koosneb mitmest laia vahega materjali kihist. See võimaldab teil isoleerida e-h paaritumine tuumas, pikendab selle eluiga, vähendab mittekiirguslikku rekombinatsiooni ja suurendab seega fluorestsentsi kvantsaagist ja fotostabiilsust.

Sellega seoses on siiani kõige laialdasemalt kasutatavatel fluorestseeruvatel nanokristallidel südamiku/kesta struktuur (joonis 3). Täiustatud protseduurid CdSe/ZnS nanokristallide sünteesiks võimaldavad saavutada 90% kvantsaagise, mis on lähedane parimatele orgaanilistele fluorestsentsvärvidele.

II osa: kvantpunktide rakendamine kolloidsete nanokristallide kujul

Fluorofoorid meditsiinis ja bioloogias

QD-de ainulaadsed omadused võimaldavad neid kasutada peaaegu kõigis bioloogiliste objektide märgistamise ja visualiseerimise süsteemides (välja arvatud ainult fluorestseeruvad rakusisesed märgised, mis on ekspresseeritud geneetiliselt - laialt tuntud fluorestseeruvad valgud).

Bioloogiliste objektide või protsesside visualiseerimiseks saab QD-d süstida otse objekti või koos „kinnitatud” äratundmismolekulidega (tavaliselt antikehad või oligonukleotiidid). Nanokristallid tungivad ja jaotuvad kogu objektis vastavalt nende omadustele. Näiteks erineva suurusega nanokristallid tungivad läbi bioloogiliste membraanide erineval viisil ja kuna suurus määrab fluorestsentsi värvuse, osutuvad ka objekti erinevad alad erinevat värvi (joon. 5) , . Tuvastavate molekulide olemasolu nanokristallide pinnal võimaldab rakendada sihipärast sidumist: soovitud objekt (näiteks kasvaja) värvitakse etteantud värviga!

Joonis 5. Objektide värvimine. Vasak: mitmevärviline konfokaalne fluorestseeruv pilt kvantpunktide jaotusest inimese fagotsüütide THP-1 rakuliini rakulise tsütoskeleti ja tuuma mikrostruktuuri taustal. Nanokristallid jäävad rakkudes fotostabiilseks vähemalt 24 tunniks ega kahjusta rakkude struktuuri ega talitlust. Paremal: RGD peptiidiga "ristseotud" nanokristallide kuhjumine kasvaja piirkonnas (nool). Paremal - kontroll, sisestatud peptiidita nanokristallid (CdTe nanokristallid, 705 nm).

Spektraalne kodeerimine ja "vedelad mikrokiibid"

Nagu juba mainitud, on nanokristallide fluorestsentsi tipp kitsas ja sümmeetriline, mis võimaldab usaldusväärselt isoleerida erinevat värvi nanokristallide fluorestsentsi signaali (nähtavas vahemikus kuni kümme värvi). Vastupidi, nanokristallide neeldumisriba on lai, see tähendab, et igat värvi nanokristalle saab ergutada üksainus valgusallikas. Need omadused, nagu ka nende kõrge fotostabiilsus, muudavad kvantpunktid ideaalseteks fluorofoorideks objektide mitmevärviliseks spektraalseks kodeerimiseks – sarnaselt vöötkoodiga, kuid kasutades infrapunapiirkonnas fluorestseerivaid mitmevärvilisi ja "nähtamatuid" koode.

Praegu kasutatakse üha enam mõistet “vedelik mikrokiibid”, mida saab sarnaselt klassikaliste lamedate kiipidega, kus tuvastavad elemendid paiknevad tasapinnal, kasutada proovimikromahtude abil mitme parameetri samaaegseks analüüsimiseks. Spektraalse kodeerimise põhimõtet vedelate mikrokiipide abil illustreerib joonis 6. Iga mikrokiibi element sisaldab etteantud arvu teatud värvi QD-sid ning kodeeritud variantide arv võib olla väga suur!

Joonis 6. Spektraalse kodeerimise põhimõte. Vasak:"tavaline" lame mikrokiip. Paremal:"vedel mikrokiip", mille iga element sisaldab teatud arvu teatud värvi CT-sid. Kell n fluorestsentsi intensiivsuse tasemed ja m värve, on kodeeritud variantide teoreetiline arv n m-1. Seega on 5–6 värvi ja 6 intensiivsuse taseme puhul 10 000–40 000 valikut.

Selliseid kodeeritud mikroelemente saab kasutada mis tahes objektide (näiteks väärtpaberite) otseseks märgistamiseks. Polümeermaatriksitesse põimituna on need äärmiselt stabiilsed ja vastupidavad. Teine rakendusaspekt on bioloogiliste objektide tuvastamine varajase diagnostika meetodite väljatöötamisel. Näidustus- ja identifitseerimismeetod seisneb selles, et mikrokiibi igale spektraalselt kodeeritud elemendile kinnitatakse konkreetne äratundmismolekul. Lahus sisaldab teist äratundmismolekuli, mille külge "õmmeldakse" signaalfluorofoor. Mikrokiibi fluorestsentsi ja signaali fluorofoori samaaegne ilmumine näitab uuritava objekti olemasolu analüüsitavas segus.

Voolutsütomeetriat saab kasutada kodeeritud mikroosakeste käigupealt analüüsimiseks. Mikroosakesi sisaldav lahus läbib laseriga kiiritatud kanali, kus iga osakest iseloomustatakse spektraalselt. Seadme tarkvara võimaldab tuvastada ja iseloomustada sündmusi, mis on seotud teatud ühendite ilmnemisega proovis – näiteks vähi või autoimmuunhaiguste markerid,.

Tulevikus saab pooljuhtide fluorestsents-nanokristallide baasil luua mikroanalüsaatoreid tohutu hulga objektide samaaegseks registreerimiseks.

Molekulaarsed andurid

QD-de kasutamine sondidena võimaldab mõõta kohalikes piirkondades keskkonna parameetreid, mille suurus on võrreldav sondi suurusega (nanomeetri skaala). Selliste mõõteriistade töö põhineb Försteri resonantsenergia ülekande (FRET) efekti kasutamisel. FRET-efekti olemus seisneb selles, et kui kaks objekti lähenevad üksteisele (doonor ja aktseptor) ja kattuvad fluorestsentsspekter esimene pärast neeldumisspekter teiseks, energia kandub üle mittekiirguse teel – ja kui aktseptor suudab fluorestseeruda, siis helendab ta kättemaksuga.

FRET-efektist kirjutasime juba artiklis " Mõõdulint spektroskoopile » .

Kvantpunktide kolm parameetrit muudavad need FRET-vormingus süsteemides väga atraktiivseteks doonoriteks.

1. Võimalus valida emissiooni lainepikkust suure täpsusega, et saada doonori emissioonispektrite ja aktseptori ergastuse maksimaalne kattumine.
2. Erinevate QD-de ergastamise võimalus ühe valgusallika ühe lainepikkuse võrra.
3. Ergastamise võimalus emissiooni lainepikkusest kaugel asuvas spektripiirkonnas (erinevus >100 nm).

FRET-efekti kasutamiseks on kaks strateegiat:

• kahe molekuli interaktsiooni akti registreerimine, mis on tingitud konformatsioonilistest muutustest doonor-aktseptor süsteemis ja
• doonori või aktseptori optiliste omaduste (näiteks neeldumisspektri) muutuste registreerimine.

See lähenemisviis võimaldas rakendada nanomõõtmelisi andureid pH ja metalliioonide kontsentratsiooni mõõtmiseks proovi kohalikus piirkonnas. Tundlik element sellises anduris on indikaatormolekulide kiht, mis registreeritud iooniga seondudes muudavad oma optilisi omadusi. Seondumise tulemusena muutub QD-de fluorestsentsspektrite kattuvus ja indikaatori neeldumine, mis muudab ka energiaülekande efektiivsust.

Lähenemisviis, mis kasutab konformatsioonilisi muutusi doonor-aktseptorsüsteemis, on rakendatud nanoskaala temperatuurianduris. Anduri toime põhineb kvantpunkti ja aktseptori - fluorestsentskustutaja - seotava polümeeri molekuli kuju muutumisel. Temperatuuri muutudes muutub nii kustutaja ja fluorofoori vaheline kaugus kui ka fluorestsentsi intensiivsus, millest tehakse juba järeldus temperatuuri kohta.

Molekulaardiagnostika

Täpselt samamoodi saab registreerida doonori ja aktseptori vahelise sideme katkemise või tekkimise. Joonisel 7 on näidatud registreerimise "sandwich" põhimõte, mille puhul registreeritud objekt toimib lingina ("adapterina") doonori ja aktseptori vahel.

Joonis 7. FRET-vormingus registreerimise põhimõte. Konjugaadi (“vedel mikrokiip”) (salvestatud objekt) (signaalfluorofoor) moodustumine viib doonori (nanokristalli) aktseptorile (värv AlexaFluor) lähemale. Laserkiirgus iseenesest värvi fluorestsentsi ei erguta; fluorestsentssignaal ilmub ainult tänu resonantsenergia ülekandele CdSe / ZnS nanokristallilt. Vasak: energiaülekande konjugeeritud struktuur. Paremal: värvaine ergastamise spektraalskeem.

Selle meetodi rakendamise näide on autoimmuunhaiguse diagnostika loomine süsteemne skleroderma(skleroderma). Siin toimisid doonori rollis kvantpunktid fluorestsentsi lainepikkusega 590 nm ja aktseptorina orgaaniline värvaine AlexaFluor 633. Mikroosakese pinnale "kinnitati" autoantikeha antigeen, sklerodermia marker. mis sisaldavad kvantpunkte. Lahusesse viidi värvainega märgistatud sekundaarsed antikehad. Sihtmärgi puudumisel ei lähene värvaine mikroosakese pinnale, energiaülekanne puudub ja värvaine ei fluorestseeru. Kuid kui proovis ilmuvad autoantikehad, põhjustab see mikroosakeste-autoantikeha-värvi kompleksi moodustumist. Energiaülekande tulemusena värvaine ergastub ja selle fluorestsentssignaal ilmub spektrisse lainepikkusega 633 nm.

Selle töö tähtsus seisneb ka selles, et autoantikehi saab kasutada diagnostiliste markeritena autoimmuunhaiguste kõige varasemas arengustaadiumis. "Vedelad mikrokiibid" võimaldavad luua testsüsteeme, milles antigeenid on palju loomulikumates tingimustes kui lennukis (nagu "tavalistes" mikrokiipides). Juba saadud tulemused avavad tee uut tüüpi kvantpunktide kasutamisel põhinevate kliiniliste diagnostiliste testide loomisele. Ja spektraalselt kodeeritud vedelate mikrokiipide kasutamisel põhinevate lähenemisviiside rakendamine võimaldab üheaegselt määrata paljude markerite sisaldust korraga, mis on aluseks diagnostiliste tulemuste usaldusväärsuse olulisele suurendamisele ja varajase diagnostika meetodite väljatöötamisele. .

Hübriidmolekulaarsed seadmed

Kvantpunktide spektraalomaduste paindliku juhtimise võimalus avab tee nanoskaala spektraalseadmetele. Eelkõige võimaldasid kaadmium-telluuriumil (CdTe) põhinevad QD-d spektraalset tundlikkust laiendada bakteriorodopsiin(bR), mis on tuntud oma võime poolest kasutada valgusenergiat prootonite "pumbamiseks" läbi membraani. (Saadud elektrokeemilist gradienti kasutavad bakterid ATP sünteesimiseks.)

Tegelikult saadi uus hübriidmaterjal: kvantpunktide kinnitamine lilla membraan- lipiidmembraan, mis sisaldab tihedalt pakitud bakteriorodopsiini molekule - laiendab valgustundlikkuse ulatust spektri UV ja sinise piirkonna suhtes, kus "tavaline" bR ei neela valgust (joonis 8) . Energia ülekandemehhanism bakteriorodopsiinile UV- ja sinises piirkonnas valgust neelavast kvantpunktist on endiselt sama: see on FRET; Sel juhul on kiirguse aktseptor võrkkesta- sama pigment, mis töötab fotoretseptoris rodopsiinis.

Joonis 8. Bakteriorodopsiini "uuendamine" kvantpunktide abil. Vasak: proteoliposoom, mis sisaldab bakteriorodopsiini (trimeeride kujul), millele on “õmmeldud” CdTe-põhised kvantpunktid (näidatud oranžide sfääridena). Paremal: skeem bR spektraalse tundlikkuse laiendamiseks QD tõttu: spektril piirkond ülevõtmised CT on spektri UV- ja sinises osas; ulatus heitkogused saab "kohandada", valides nanokristalli suuruse. Selles süsteemis aga kvantpunktide energiaemissiooni ei toimu: energia migreerub mittekiirguslikult bakteriorodopsiiniks, mis toimib (pumpab H + ioone liposoomi).

Selle materjali baasil loodud proteoliposoomid (bR-CT hübriidi sisaldavad lipiidide vesiikulid) pumpavad valgustuse all endasse prootoneid, alandades efektiivselt pH-d (joonis 8). See esmapilgul tähtsusetu leiutis võib tulevikus olla optoelektrooniliste ja fotooniliste seadmete aluseks ning leida rakendust elektrienergia ja muud tüüpi fotogalvaanilise muundamise valdkonnas.

Kokkuvõtvalt tuleb rõhutada, et nano-, bionano- ja biovask-nanotehnoloogiate kõige lootustandvamad objektid on kolloidsete nanokristallide kujul olevad kvantpunktid. Pärast kvantpunktide kui fluorofooride võimaluste esmakordset demonstreerimist 1998. aastal valitses mitu aastat tuulevaikus, mis oli seotud uute originaalsete lähenemisviiside kujunemisega nanokristallide kasutamisel ja nende ainulaadsete objektide potentsiaali realiseerimisega. Kuid viimastel aastatel on toimunud järsk tõus: ideede kuhjumine ja nende elluviimine määras läbimurde uute seadmete ja tööriistade loomisel, mis põhinevad pooljuhtide nanokristalliliste kvantpunktide kasutamisel bioloogias, meditsiinis, elektroonikatehnikas, päikeseenergia tehnoloogias. , ja paljud teised. Muidugi on sellel teel veel palju lahendamata probleeme, kuid kasvav huvi, nende probleemidega tegelevate meeskondade kasvav arv ja sellele valdkonnale pühendatud väljaannete arv lubab meil loota, et kvantpunktidest saavad järgmise põlvkonna tehnoloogia ja tehnoloogia aluseks.

Videosalvestus V.A. Oleinikov 17. mail 2012 toimunud IBCh RAS noorte teadlaste nõukogu teisel seminaril.

Kirjandus

1. Oleinikov V.A. (2010). Kvantpunktid bioloogias ja meditsiinis. Loodus. 3 , 22;
2. Oleinikov V.A., Sukhanova A.V., Nabiev I.R. (2007). Fluorestseeruvad pooljuhtide nanokristallid bioloogias ja meditsiinis. Venemaa nanotehnoloogiad. 2 , 160–173;
3. Alyona Sukhanova, Lydie Venteo, Jérôme Devy, Mihhail Artemjev, Vladimir Oleinikov jt. al. (2002). Väga stabiilsed fluorestseeruvad nanokristallid kui uudne märgiste klass parafiiniga manustatud koelõikude immunohistokeemiliseks analüüsiks. Labi investeerimine. 82 , 1259-1261;
4. C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. (1993). Peaaegu monodisperssete CdE (E = väävel, seleen, telluur) pooljuhtide nanokristallitide süntees ja iseloomustus. J. Am. Chem. soc.. 115 , 8706-8715;
5. Margaret A. Hines, Philippe Guyot-Sionnest. (1998). Heledad UV-sinised luminestseeruvad kolloidsed ZnSe nanokristallid. J Phys. Chem. B. 102 , 3655-3657;
6. Manna L., Scher E.C., Alivisatos P.A. (2002). Kolloidsete pooljuhtide nanokristallide kuju reguleerimine. J. Clust. sci. 13 , 521–532;
7. Fluorestseeruv Nobeli keemiaauhind;
8. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher jt. al. (2007). Funktsionaliseerimata nanokristallid saavad ära kasutada raku aktiivset transpordimasinat, toimetades need konkreetsetesse tuuma- ja tsütoplasmaatilistesse sektsioonidesse. Nano Lett.. 7 , 3452-3461;
9. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, MaÅgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell jt. al. (2009). Rakutüübispetsiifiliste intratsellulaarsete nanoskaala barjääride uurimine, kasutades suuruse järgi häälestatud kvantpunkte, nano-pH-meeter ;
10. Alyona Sukhanova, Andrei S. Susha, Alpan Bek, Sergiy Mayilo, Andrey L. Rogach jt. al. (2007). Nanokristallidega kodeeritud fluorestseeruvad mikrohelmed proteoomika jaoks: antikehade profileerimine ja autoimmuunhaiguste diagnostika. Nano Lett.. 7 , 2322-2327;
11. Aliaksandra Rakovich, Alyona Sukhanova, Nicolas Bouchonville, Evgeniy Lukashev, Vladimir Oleinikov jt. al. (2010). Resonantsenergia ülekanne parandab bakteriorodopsiini bioloogilist funktsiooni lilladest membraanidest ja pooljuhtide kvantpunktidest valmistatud hübriidmaterjalis. Nano Lett.. 10 , 2640-2648;

kvantpunktid on pisikesed kristallid, mis kiirgavad täpselt reguleeritava värviväärtusega valgust. Quantum dot LED tehnoloogia parandab oluliselt pildikvaliteeti, mõjutamata teoreetiliselt seadmete lõpphinda :).

Tavalised LCD-telerid suudavad katta vaid 20-30% inimsilm tajutavast värvivahemikust. Pildil on suurepärane realism, kuid see tehnoloogia ei ole keskendunud suurte diagonaalidega kuvarite masstootmisele. Need, kes teleturgu jälgivad, mäletavad, et juba 2013. aasta alguses tutvustas Sony esimest Kvantpunktidel põhinev teler (Quantum dot LED, QLED). Suured teleritootjad toovad sel aastal välja kvanttäpptelerite mudelid, Samsung on neid Venemaal juba tutvustanud SUHD nime all, aga sellest pikemalt artikli lõpus. Uurime, mille poolest erinevad QLED-tehnoloogia abil toodetud ekraanid juba tuttavatest LCD-teleritest.

LCD-teleritel puuduvad puhtad värvid

Koosnevad ju vedelkristallkuvarid 5 kihist: allikaks on LED-ide kiirgav valge valgus, mis läbib mitmeid polariseerivaid filtreid. Ees ja taga asuvad filtrid koos vedelkristallidega juhivad läbivat valgusvoogu, vähendades või suurendades selle heledust. Selle põhjuseks on pikslitransistorid, mis mõjutavad filtreid (punane, roheline, sinine) läbiva valguse hulka. Nende kolme alampiksli moodustunud värv, millele filtrid rakendatakse, annab pikslile teatud värviväärtuse. Värvide segamine on üsna "sujuv", kuid puhast punast, rohelist või sinist on sel viisil lihtsalt võimatu saada. Komistuskiviks on filtrid, mis ei lase läbi mitte ühte kindla pikkusega lainet, vaid mitut erinevat lainepikkust. Näiteks oranž valgus läbib ka punase filtri.

LED kiirgab valgust, kui sellele rakendatakse pinget. Tänu sellele kanduvad elektronid (e) N-tüüpi materjalist P-tüüpi materjalile. N-tüüpi materjal sisaldab liigse elektronide arvuga aatomeid. P-tüüpi materjalis on aatomeid, millel puuduvad elektronid. Kui liigsed elektronid tabavad viimast, eraldavad nad energiat valguse kujul. Tavalises pooljuhtkristallis on see tavaliselt paljude erinevate lainepikkuste poolt tekitatud valge valgus. Selle põhjuseks on asjaolu, et elektronid võivad olla erineva energiatasemega. Selle tulemusena on tekkinud footonitel (P) erinev energia, mis väljendub kiirguse erinevates lainepikkustes.

Valguse stabiliseerimine kvantpunktide abil

IN QLED-telerid valgusallikana toimivad kvantpunktid – need on vaid mõne nanomeetri suurused kristallid. Sel juhul kaob vajadus valgusfiltritega kihi järele, kuna neile pinge rakendamisel kiirgavad kristallid alati täpselt määratletud lainepikkusega valgust ja sellest tulenevalt ka värviväärtust. See efekt saavutatakse kvantpunkti vähese suurusega, milles elektron, nagu aatomis, on võimeline liikuma ainult piiratud ruumis. Nagu aatomis, saab kvantpunktelektron hõivata ainult rangelt määratletud energiatasemeid. Tänu sellele, et need energiatasemed sõltuvad ka materjalist, saab võimalikuks kvantpunktide optilisi omadusi sihipäraselt häälestada. Näiteks punase värvuse saamiseks kasutatakse kaadmiumi, tsingi ja seleeni sulamist (CdZnSe) saadud kristalle, mille mõõtmed on umbes 10–12 nm. Kollase, rohelise ja sinise värvi jaoks sobib kaadmiumi ja seleeni sulam, viimast saab ka nanokristallide abil tsingi ja väävli ühendist suurusega 2-3 nm.

Siniste kristallide masstootmine on väga keeruline ja kulukas, seega pole Sony 2013. aastal turule toodud teler "täisvereline" Kvantpunktidel põhinev QLED-teler. Nende toodetud kuvarite tagaküljel on siniste LED-ide kiht, mille valgus läbib punaste ja roheliste nanokristallide kihi. Selle tulemusena asendavad nad tegelikult praegu levinud filtrid. Tänu sellele suureneb värvigamma võrreldes tavaliste LCD-teleritega 50%, kuid see ei ulatu "puhta" QLED-ekraani tasemele. Viimastel on lisaks laiemale värvigammale veel üks eelis: nad säästavad energiat, kuna pole vaja valgusfiltritega kihti. Tänu sellele saab QLED-telerite ekraani esiosa ka rohkem valgust kui tavalised telerid, mis lasevad sisse vaid umbes 5% valgusvõimsusest.

Samsung Quantum Dot QLED teler

Samsung Electronics tutvustas Venemaal kvaliteetseid telereid, mis on valmistatud kvantpunkttehnoloogia abil. Uued esemed eraldusvõimega 3840 × 2160 pikslit osutusid mitte odavateks ja lipulaeva mudeli hind on 2 miljonit rubla.

Uuendused. Kvantpunktidel põhinevad kumerad Samsungi SUHD-telerid erinevad tavalistest LCD-mudelitest suurema värviedastuse, kontrastsuse ja energiatarbimise poolest. Integreeritud SUHD Remastering Engine pildiprotsessor võimaldab teil madala eraldusvõimega videosisu 4K-le skaleerida. Lisaks said uued telerid Peak Illuminator ja Precision Black intelligentse taustvalgustuse, Nano Crystal Color tehnoloogia (parandab värvide küllastust ja loomulikkust), UHD Dimming (pakkub optimaalset kontrasti) ja Auto Depth Enhancer (automaatne kontrasti reguleerimine teatud pildipiirkondade jaoks) . Telerid põhinevad Tizen operatsioonisüsteemil koos uuendatud Samsung Smart TV platvormiga.

Hinnad. Samsungi SUHD telerite perekonda esitletakse kolmes seerias (JS9500, JS9000 ja JS8500), mille maksumus algab 130 tuhandest rublast. Kui palju maksab Venemaa ostjatele 48-tolline mudel UE48JS8500TXRU. Kvantpunktidega teleri maksimaalne hind ulatub 2 miljoni rublani - 88-tollise kumera ekraaniga mudeli UE88JS9500TXRU puhul.

QLED-tehnoloogial põhinevaid uue põlvkonna telereid valmistavad ette Lõuna-Korea Samsung Electronics ja LG Electronics, Hiina TCL ja Hisense ning Jaapani Sony. Viimasel on juba välja antud quantum dot tehnoloogiat kasutades valmistatud LCD-telerid, millest mainisin Quantum dot LED tehnoloogia kirjelduses.

14. juuni 2018

Kvantpunkt on juhi või pooljuhi fragment, mille laengukandjad (elektronid või augud) on ruumiliselt piiratud kõigis kolmes mõõtmes. Kvantpunkti suurus peab olema nii väike, et kvantefektid oleksid olulised. See saavutatakse, kui elektroni kineetiline energia on märgatavalt suurem kui kõik teised energiaskaalad: esiteks on see suurem kui energiaühikutes väljendatud temperatuur. Kvantpunktid sünteesisid esmakordselt 1980. aastate alguses Aleksei Ekimov klaasmaatriksis ja Louis E. Brus kolloidsetes lahustes.

Mõiste "kvantpunkt" võttis kasutusele Mark Reed.

Kvantpunkti energiaspekter on diskreetne ja laengukandja statsionaarsete energiatasemete vaheline kaugus sõltub kvantpunkti enda suurusest -ħ/(2md^2), kus:
ħ on vähendatud Plancki konstant;
d on iseloomulik punkti suurus;
m on elektroni efektiivne mass punktis

Lihtsamalt öeldes on kvantpunkt pooljuht, mille elektrilised omadused sõltuvad selle suurusest ja kujust.
Näiteks kui elektron liigub madalamale energiatasemele, kiirgab footon; kuna kvantpunkti suurust on võimalik juhtida, siis on võimalik muuta ka kiiratava footoni energiat, mis tähendab kvantpunkti poolt kiiratava valguse värvi muutmist.

Kvantpunktide tüübid
On kahte tüüpi:
epitaksiaalsed kvantpunktid;
kolloidsed kvantpunktid.

Tegelikult nimetatakse neid vastavalt nende tootmismeetoditele. Ma ei hakka neist üksikasjalikult rääkima keemiliste terminite rohkuse tõttu. Lisan vaid, et kolloidsünteesi abil on võimalik saada nanokristalle, mis on kaetud adsorbeerunud pindaktiivsete molekulide kihiga. Seega lahustuvad need orgaanilistes lahustites ja peale modifitseerimist ka polaarsetes lahustites.

Kvantpunktide konstrueerimine
Tavaliselt on kvantpunkt pooljuhtkristall, milles realiseeritakse kvantefektid. Sellises kristallis olev elektron tunneb end olevat kolmemõõtmelises potentsiaalikas ja tal on palju statsionaarseid energiatasemeid. Sellest lähtuvalt võib kvantpunkt ühelt tasandilt teisele liikudes kiirata footoni. Kõige selle juures on üleminekuid lihtne juhtida, muutes kristalli suurust. Samuti on võimalik paisata elektron kõrgele energiatasemele ja saada kiirgust üleminekust madalamate tasemete vahel ning selle tulemusena saame luminestsentsi. Tegelikult oli just selle nähtuse vaatlemine esimene kvantpunktide vaatlus.

Nüüd kuvaritest
Täisväärtuslike kuvarite ajalugu sai alguse 2011. aasta veebruaris, kui Samsung Electronics esitles QLED-kvantpunktidel põhineva täisvärviekraani väljatöötamist. Tegemist oli 4-tollise ekraaniga, mida juhib aktiivmaatriks, st. iga värvilise kvantpunkti pikslit saab õhukese kiletransistori abil sisse ja välja lülitada.

Prototüübi loomiseks kantakse räniplaadile kiht kvantpunktilahust ja pihustatakse lahustit. Seejärel surutakse kvantpunktide kihti kammipinnaga kummitempel, eraldatakse ja tembeldatakse klaasile või painduvale plastikule. Nii ladestuvad substraadile kvantpunktide ribad. Värvilistel kuvadel sisaldab iga piksel punast, rohelist või sinist alampikslit. Vastavalt sellele kasutatakse neid värve erineva intensiivsusega, et saada võimalikult palju toone.

Järgmine samm arenduses oli Bangalores asuva India teadusinstituudi teadlaste artikli avaldamine. Kus kirjeldati kvantpunkte, mis helendavad mitte ainult oranžina, vaid ka vahemikus tumerohelisest punaseni.

Miks on LCD halvem?
Peamine erinevus QLED-ekraani ja LCD vahel seisneb selles, et viimane suudab katta vaid 20-30% värvivahemikust. Samuti pole QLED-telerites vaja kasutada valgusfiltritega kihti, kuna kristallid kiirgavad neile pinge rakendamisel alati täpselt määratletud lainepikkusega ja sellest tulenevalt sama värviväärtusega valgust.

Vedelkristallkuvarid koosnevad 5 kihist: allikaks on LED-ide kiirgav valge valgus, mis läbib mitmeid polariseerivaid filtreid. Ees ja taga asuvad filtrid koos vedelkristallidega juhivad läbivat valgusvoogu, vähendades või suurendades selle heledust. Selle põhjuseks on pikslitransistorid, mis mõjutavad filtreid (punane, roheline, sinine) läbiva valguse hulka.

Nende kolme alampiksli moodustunud värv, millele filtrid rakendatakse, annab pikslile teatud värviväärtuse. Värvide segamine on üsna "sujuv", kuid puhast punast, rohelist või sinist on sel viisil lihtsalt võimatu saada. Komistuskiviks on filtrid, mis ei lase läbi mitte ühte kindla pikkusega lainet, vaid mitut erinevat lainepikkust. Näiteks oranž valgus läbib ka punase filtri.

Väärib märkimist, et kvantpunktide ulatus ei piirdu ainult LED-monitoritega, muuhulgas saab neid kasutada väljatransistorides, fotoelementides, laserdioodides, samuti otsitakse võimalust kasutada neid meditsiinis ja kvantarvutuses. uurinud.

LED kiirgab valgust, kui sellele rakendatakse pinget. Tänu sellele kanduvad elektronid (e) N-tüüpi materjalist P-tüüpi materjalile. N-tüüpi materjal sisaldab liigse elektronide arvuga aatomeid. P-tüüpi materjalis on aatomeid, millel puuduvad elektronid. Kui liigsed elektronid tabavad viimast, eraldavad nad energiat valguse kujul. Tavalises pooljuhtkristallis on see tavaliselt paljude erinevate lainepikkuste poolt tekitatud valge valgus. Selle põhjuseks on asjaolu, et elektronid võivad olla erineva energiatasemega. Selle tulemusena on tekkinud footonitel (P) erinev energia, mis väljendub kiirguse erinevates lainepikkustes.

Valguse stabiliseerimine kvantpunktide abil
QLED-telerid kasutavad valgusallikana kvantpunkte – need on vaid mõne nanomeetri suurused kristallid. Sel juhul kaob vajadus valgusfiltritega kihi järele, kuna neile pinge rakendamisel kiirgavad kristallid alati täpselt määratletud lainepikkusega valgust ja sellest tulenevalt ka värviväärtust. See efekt saavutatakse kvantpunkti vähese suurusega, milles elektron, nagu aatomis, on võimeline liikuma ainult piiratud ruumis. Nagu aatomis, saab kvantpunktelektron hõivata ainult rangelt määratletud energiatasemeid. Tänu sellele, et need energiatasemed sõltuvad ka materjalist, saab võimalikuks kvantpunktide optilisi omadusi sihipäraselt häälestada. Näiteks punase värvuse saamiseks kasutatakse kaadmiumi, tsingi ja seleeni sulamist (CdZnSe) kristalle, mille mõõtmed on umbes 10-12 nm. Kollase, rohelise ja sinise värvi jaoks sobib kaadmiumi ja seleeni sulam, viimast saab ka nanokristallide abil tsingi ja väävli ühendist suurusega 2-3 nm.

Siniste kristallide masstootmine on väga keeruline ja kulukas, seega ei ole Sony 2013. aastal turule toodud teler kvantpunktidel põhinev “põlvne” QLED-teler. Nende toodetud kuvarite tagaküljel on siniste LED-ide kiht, mille valgus läbib punaste ja roheliste nanokristallide kihi. Selle tulemusena asendavad nad tegelikult praegu levinud filtrid. Tänu sellele suureneb värvigamma võrreldes tavaliste LCD-teleritega 50%, kuid see ei ulatu "puhta" QLED-ekraani tasemele. Viimastel on lisaks laiemale värvigammale veel üks eelis: nad säästavad energiat, kuna pole vaja valgusfiltritega kihti. Tänu sellele saab QLED-telerite ekraani esiosa ka rohkem valgust kui tavalised telerid, mis lasevad sisse vaid umbes 5% valgusvõimsusest.

Teadlased on loonud teooria laialt levinud kvantpunktide klassi moodustumise kohta, mis saadakse kaadmiumi ja seleeni sisaldavatest ühenditest. 30 aastat on sellesuunaline areng suuresti tuginenud katse-eksituse meetodile. Artikkel avaldati ajakirjas Nature Communications.

Kvantpunktid on märkimisväärsete optiliste ja elektrooniliste omadustega nanomõõtmelised kristalsed pooljuhid, mis on juba leidnud rakendusi paljudes uurimis- ja tehnoloogiavaldkondades. Neil on vahepealsed omadused hulgipooljuhtide ja üksikute molekulide vahel. Nende nanoosakeste sünteesi protsessis jäävad aga ebaselged punktid, kuna teadlased ei saanud täielikult aru, kuidas reaktiivid interakteeruvad, millest mõned on väga mürgised.

Todd Krauss ja Leigh Frenett Rochesteri ülikoolist kavatsevad seda muuta. Eelkõige leidsid nad, et fusioonireaktsiooni käigus tekivad mürgised ühendid, mida kasutati esimeste kvantpunktide saamiseks 30 aastat tagasi. "Põhimõtteliselt läksime oma avastusega tagasi tulevikku," selgitab Krauss. - Selgus, et tänapäeval kasutatavatest ohutumatest reaktiividest saavad just need ained, mida on aastakümneid püütud vältida. Need omakorda reageerivad kvantpunktide moodustumisega.

Esiteks vähendab see kaadmiumil või seleenil põhinevate kvantpunktide tootmisel tehtavate oletuste hulka, mis tõi kaasa ebakõlad ja reprodutseerimatavuse, mis takistas tööstuslike rakenduste otsimist.
Teiseks hoiatab see teadlasi ja ettevõtteid, kes tegelevad suurtes kogustes kvantpunktide sünteesiga, et nad tegelevad endiselt ohtlike ainetega, nagu vesinikseleniid ja alküül-kaadmiumi kompleksid, kuigi kaudselt.
Kolmandaks selgitab see fosfiinide keemilisi omadusi, mida kasutatakse paljudes protsessides kvantpunktide sünteesiks kõrgel temperatuuril.

Allikad:

"Professor Pankovi prillid"- kaasaskantav seade kvanttaastamise ja iridorefleksoteraapia jaoks. Seadme põhieesmärk on silma-, siseorganite ja inimkeha süsteemide haiguste ravi ja vajalik ennetamine. Loodud prof. Punk-aparaati kasutatakse laialdaselt meditsiinihaiglates, ambulatoorsetes kliinikutes, aga ka iseseisvalt kodus.

"Pankovi prillid" on kasulikud inimestele, kelle töötegevus on lahutamatu nägemisorgani suurest koormusest (kontoritöötajad, teadlased, juhid, programmeerijad, õpetajad, kirjanikud, igat tüüpi transpordijuhid jne).

Tehnilised andmed

Seade on sisseehitatud LED-emitteridega prilliraam, mida juhivad sisseehitatud mikroprotsessori kontrollerid. Seadme toiteallikas on kombineeritud LED-kiirguritega. Emitterite arv - 2 tükki. Kiirguse lainepikkused on 450, 530 ja 650 nm. Väljuval kiirgusel on impulsiiv-perioodiline töörežiim. Toiteallikaks on 4 nööpatarei (AG-13). Energiatarve - kuni 0,1 W. Seadme kaal on väike - umbes 200 grammi.

Seade "Professor Pankovi prillid" tarnitakse järgmises komplektis:

• Aparaat "Pankovi prillid".
• Passi tehniline, kasutusjuhend.
• Pakkimiskarp.

Tööpõhimõte

Silmade valguse impulssidega kokkupuude põhjustab pupillide refleksiivset ahenemist ja laienemist, pakkudes ainulaadset tervendavat toimet. Tänu temale kaovad spasmid ja aja jooksul suureneb akommodatiivse lihase tugevus. Silmalihaste rütmiline kokkutõmbumine seadme toimel aktiveerib lümfidrenaaži, suurendades vereringet nägemisorganis, parandades silma kudedes, sealhulgas võrkkesta mikrotsirkulatsiooni, mis muudab nende toitumise terviklikuks ja õigeks. Lisaks aktiveerib valguskiirgus signaalide neuraalse edastamise protsessi ja nende visuaalset tajumist.

Seadme toimel muutub pupilli läbimõõt ja samal ajal muutub vikerkesta asend, mille tulemusena paraneb silmasisese vedeliku liikumine mööda väljavooluteid. Vedelik siseneb esikambrisse rikastatult, küllastades seda toitainetega. See parandab silma eesmise segmendi (sarvkest, iiris, lääts) toitumist, mistõttu on Pankovi prillid nägemisorgani nende struktuuride patoloogiate jaoks praktiliselt asendamatud.

Näidustused

• katarakti esialgsed astmed;
• võrkkesta düstroofia;
• glaukoom;
• amblüoopia, ;
• lühinägelikkus (progresseeruv);
• vanus;
• nägemisnärvi atroofia;
• arvuti sündroom;
• periood pärast oftalmoloogilist operatsiooni.

Rakendusviis

Seansid seadmega tuleks läbi viia lamades või istudes. Enne alustamist tasub teha lihtne hingamisharjutus (sügavad hinged ja väljahingamised).

Seansse ei saa läbi viia teleri vaatamise ajal, samuti vahetult enne magamaminekut. Ärrituse, suurenenud närvilisuse korral ei ole seadet soovitatav kasutada.

Kvantmõju seansi aeg on viisteist minutit päevas.

Esimene seanss peaks algama suletud silmadega (nagu iga järgmine) ja kesta kuni kolm minutit, mis on vajalik kokkupuute intensiivsuse järkjärguliseks suurenemiseks. Iga järgnevat seanssi pikendatakse 3 minuti võrra. Maksimaalne võimalik säriaeg on 15 minutit. Ravikuur sisaldab 15 seanssi. Seda saab korrata mitte varem kui kuu aja pärast.

Silmade väsimussündroomi korral tuleks seansse läbi viia vastavalt vajadusele kolm minutit (iga päev) enne silmade väsimist põhjustava töö alustamist, samuti pärast seda.

Seadme kasutamise tulemus on palju parem, kui kasutate "Pankovi prille" samaaegselt silmavitamiinidega kapslites (Lutein Complex või Anthocyan Forte), aga ka vitamiinitilkadega (Taufon, Quinax jne).

Seansside katkestamine rohkem kui kolmeks päevaks ei ole soovitatav.

Prillide kasutamise vastunäidustused

• silmapõletik ägedas faasis;
• võrkkesta;
• Rasedus;
• aju ja silmade neoplasmid;
• periood pärast siirdamist;
• vanus kuni kolm aastat;
• kroonilise iseloomuga vaimsed häired;
• kompenseerimata suhkurtõbi;
• hüpotensioon;
• insult.

Seadme hind, kust osta

Riis. 4.32. a on koherentse juhtsignaali mähisjoone logaritm impulsside vastastikuse viivituse funktsioonina Lorentzi homogeensete ja Gaussi ebahomogeensete laienduste erinevate suhteliste panuste korral (r = 2 = ! ). Pidev joon on puhtalt Lorentzi homogeenne laiendus ~ 2 = 21:25 µeV; katkendjoon –r =1/1; punktiirjoon –r =1/2,5; kriips-punkteeritud –r = 1/14. Absoluutväärtused2 ja! valiti nii, et ühe kvantpunkti fotoluminestsentsjoone HWHM hoiti konstantsena (21:25 μeV) vastavalt tööle . b – ühe kvantpunkti fotoluminestseeruva joone voigt kontuur, mis on arvutatud samade parameetrite jaoks nagu juhtumil a.

mõõteseade ja liitmik Voigti kontuuriga. See toob kaasa täiendavaid vigu. Joonisel fig. Nagu on näidatud joonisel 4.32b, on ühe kvantpunkti fotoluminestsentsjoonte kujundid joonistatud samade suhete 2 = ! , nagu joonisel 4.32 a. Näha on, et spektrijoonte kõige informatiivsem osa on nende tiivad, kus head signaali-müra suhet on raske saavutada. Samas on vastavad muutused K()-s enim väljendunud piirkonnas, kus koherentset juhtsignaali saab piisava täpsusega saada. Seega saab koherentse juhtimise meetodit kasutada laengukeskkonna kõikumiste mõju uurimiseks optilistes ja relaksatsiooniprotsessides.

4.3. Kvantpunktide rakendused

4.3.1. Kvantpunktlaserid kiudkommunikatsiooni jaoks

Fiiberoptilise telekommunikatsiooni areng on toonud kaasa vajaduse luua tõhusad pooljuhtlaserid ja optilised võimendid, mis töötavad lainejuhtide minimaalsete kadude (1,25–1,65 μm) spektripiirkonnas. InGaAs/GaAs kvantkaevlaseritega saavutatud pikim lainepikkus on otsapõletusseadmete puhul 1230 nm ja vertikaalse õõnsusega laserite puhul 1260 nm. Piisavalt suured lävivoolud, madal töötemperatuur ja madal

selliste laserite temperatuuristabiilsus ei vasta alati kiiretele sideseadmetele esitatavatele nõuetele.

Edusammud isemonteeritud kvantpunktühendite A3 B5 mitmekihiliste struktuuride valmistamisel, mille suurus ja kuju on suure pinnatiheduse juures piisavalt ühtlased, on viinud pooljuhtlaserite loomiseni, mille aktiivseks kandjaks on kvantpunktid. Selle tulemusena sai spektraalpiirkond 1, 0–1, 7 µm genereerimiseks kättesaadavaks nii tavapäraste laserite kui ka vertikaalsete õõnsuslaserite jaoks, kasutades InGaAs kvantpunkte ja GaAs substraate. Eelkõige võivad mõlemat tüüpi laserid tekitada 1,3 µm kiirgust äärmiselt madala lävivoolu ja suure väljundvõimsusega. Hiljuti demonstreeriti lairiba kvantpunktlaserit, mis kiirgab toatemperatuuril 1,5 µm voolutihedusega ainult 70 A/cm2 kvantpunktikihi kohta. Kvantpunktstruktuuridel põhinevad optilised võimendid pakuvad huvi kiireks signaalitöötluseks kiirusega üle 40 Gbit/s. On oluline, et täiustatud GaAs-tehnoloogiad võimaldaksid valmistada üsna odavaid monoliitseid vertikaalse õõnsusega kvantpunktlasereid, millel on AlAs/GaAs ja AlOx/GaAs paaridel põhinevad hajutatud Braggi peeglid.

Tuleb märkida, et kvantpunktide elektrooniliste üleminekute ebahomogeense laienemise tõttu on võimalik laseri lainepikkuse pideva häälestamise piirkonda laiendada. Lävivoolude mõningase suurenemisega võib see ulatuda 200 nm-ni (1,033–1,234 μm).

Huvi pakuvad ka InAs kvantpunkte ja InP substraate kasutavad laserid, kuna need võimaldavad laserit pikemas lainepikkuse vahemikus (1, 8–2, 3 μm), mis on oluline molekulaarspektroskoopia rakenduste ja gaasiliste atmosfääride kaugseire jaoks lidarite abil. Samas on sellisest heterostruktuurist aktiivse keskkonnaga laserist lainepikkusega 1,9 ja 2 μm kiirguse teket saadud seni vaid madalal (77 K) temperatuuril. Huvitaval kombel demonstreeriti lasereid lainepikkustel 1,6 ja 1,78 μm ka InAs kvantjuhtmetel põhinevate laserite puhul – ühemõõtmelistel kvantstruktuuridel (001) InP substraadil. Lõpuks saadi 2 μm piirkonnas pidev laserimine toatemperatuuril, kasutades aktiivse laserkeskkonnana (001) InP substraadil kasvatatud InAsSb-põhiseid kvantpunkte.

Selle suuna intensiivne areng on viinud selleni, et praegu on kaubanduslikult kättesaadavad teatud tüüpi pooljuhtlaserid, millel on kvantpunktidel põhinev aktiivkeskkond, .

260 A.V. Fedorov, A.V. Baranov

4.3.2. Kvantpunktid bioloogias ja meditsiinis

Üks aktiivsemalt arenevaid pooljuhtide kvantpunktide rakendusvaldkondi on kolloidsete kvantpunktide (pooljuhtide nanokristallid orgaanilistes ja vesilahustes) kasutamine luminestsentsmärgistena erinevat tüüpi bioloogiliste objektide struktuuri visualiseerimiseks ja biokeemiliste reaktsioonide ultratundlikuks tuvastamiseks, mis on äärmiselt olulised molekulaar- ja rakubioloogias., meditsiinilises diagnostikas ja teraapias. Luminestsentsmärgis on linkermolekuliga seotud fosfor, mis võib selektiivselt seonduda tuvastatava biostruktuuriga (sihtmärk). Märgised peavad olema vees lahustuvad, neil peab olema kõrge neeldumiskoefitsient ja kõrge luminestsentsi kvantsaagis kitsas spektriribas. Viimane on eriti oluline mitmevärviliste piltide registreerimisel, kui lahtri erinevad sihtmärgid on tähistatud erinevate siltidega. Orgaanilisi värvaineid kasutatakse tavaliselt etikettide luminofooridena. Nende puuduseks on madal vastupidavus fotovalgendusele, mis ei võimalda pikaajalisi mõõtmisi, vajadus kasutada erinevate värvainete ergutamiseks mitut valgusallikat, samuti luminestsentsribade suur laius ja asümmeetria, mis raskendab mitmevärviliste kujutiste analüüsi. .

Hiljutised saavutused nanotehnoloogia vallas võimaldavad rääkida uue klassi luminestsentsmärgiste loomisest, kasutades luminofoorina pooljuhtkvantpunkte – kolloidseid nanokristalle.

A2 B6 (CdSe, CdS, CdTe, ZnS) ja A3 B5 (InP ja GaAs) ühenditel põhinevate nanokristallide süntees on tuntud juba pikka aega. Veel 1993. aastal pakuti välja CdSe kvantpunktide kõrgtemperatuuriline metallorgaaniline süntees ning saadi hea kristallstruktuuri ja kitsa suurusjaotusega nanokristallid, mille kvantsaagis ei ületa 10%. Kvantpunktide kvantsaagise järsk tõus kuni 85% toatemperatuuril saavutati, kui nanokristalle hakati katma õhukese (1–2 ühekihilise) muu materjali kestaga, millel on suurem ribavahe (näiteks CdSe jaoks, need on ZnS, CdS, CdO). Selliseid struktuure nimetatakse tuuma/kesta kvantpunktideks (core/shell QD). Kvantpunktide läbimõõtu (alates 1,5 nm ja üle selle) saab reguleerida reaktsiooniaega varieerides temperatuuril umbes 300o C minutitest kuni mitme tunnini või lihtsalt võtta vajalik kogus toodet erinevatel aegadel peale käivitamist. reaktsioonist. Selle tulemusena osutus võimalikuks saada sama koostisega, kuid erineva suurusega kvantpunktide komplekt. Näiteks CdSe/ZnS QD luminestsentsriba asukoht võib varieeruda vahemikus 433–650 nm (2,862–1,906 eV) ribalaiusega umbes 30 meV. Teiste materjalide kasutamine võimaldab oluliselt laiendada nanokristallide luminestsentsriba häälestuse spektripiirkonda (joonis 4.33). Sisuliselt

Riis. 4.33. Erineva koostise ja suurusega pooljuhtnanokristallide luminestsentsspektrid. Pidevad jooned vastavad CdSe nanokristallidele läbimõõduga 1,8, 3,0 ja 6,0 nm; punktiirjooned vastavad InP nanokristallidele läbimõõduga 3,0 ja 4,6 nm; katkendlikud jooned vastavad InAs nanokristallidele suurusega 2,8, 3,6, .64,0,0.

et nanokristallidel on kitsamad ja sümmeetrilisemad luminestsentsribad kui tavalistel orgaanilistel värvainetel. See on mitmevärviliste piltide analüüsimisel äärmiselt oluline eelis. Joonisel fig. 4.34 näitena võrreldakse CdSe/ZnS nanokristallide ja rodamiini 6G molekulide luminestsentsspektreid.

Intensiivsus, rel. ühikut

kvantpunktid

Lainepikkus, nm

Riis. 4.34. Rodamiini 6G kvantpunktide ja molekulide luminestsentsribade võrdlus.

Täiendav eelis on see, et sama koostisega nanokristallidel on tavaliselt lai neeldumisriba kõrge molaarse ekstinktsioonikoefitsiendiga (kuni 10–6 cm–1 M–1), mis vastab üleminekutele suure energiaga olekutesse. Selle asukoht sõltub nõrgalt kvantpunkti suurusest. Seetõttu on see erinevalt värvainetest võimalik

262 A.V. Fedorov, A.V. Baranov

erineva suurusega nanokristallide luminestsentsi tõhus ergastamine ühe laservalgusallika abil. Peamine eelis on aga see, et nanokristallidel on suurepärane fotoresistentsus: nad ei tuhmu mitu tundi või isegi päevi, samas kui tavapäraste luminofooride iseloomulikud fotovalgendusajad on piiratud mõne minutiga (joonis 1). 4.35 AlexaFluor® 488Joon. 4.35. CdSe/ZnS nanokristallidel CdSe/ZnS ja traditsioonilistel molekulaarluminofooridel põhinevate siltide luminestsentsi fotoindutseeritud lagunemine elavhõbelambi kiirguse toimel.

Selliste keemilise reaktsiooni tulemusena saadud kvantpunktide pind on kaetud sünteesis kasutatud hüdrofoobsete molekulidega, mistõttu need lahustuvad ainult orgaanilistes lahustites. Kuna bioloogilised objektid (valgud, DNA, peptiidid) eksisteerivad ainult vesilahustes, on nanokristallide pinna modifitseerimiseks välja töötatud meetodid, mis muudavad need vees lahustuvad nii positiivselt kui ka negatiivselt laetud pindadel. Välja on pakutud mitut tüüpi linkermolekule, mis võimaldavad nanokristalle selektiivselt siduda analüüsitud biomolekulidega. Näitena on joonisel 4.36 näidatud ZnS kestaga kaetud CdSe nanokristalli näide, mis on merkaptoäädikhappe molekuli abil kovalentselt seotud valguga.

Hiljuti on kaubanduslikult kättesaadavad pooljuhtide kvantpunktidel põhinevad luminestsentsmärgised erinevat tüüpi sihtmärkide jaoks.

Kvantpunktide in vivo kasutamiseks on vaja võtta meetmeid nende toksilisuse vähendamiseks. Selleks tehti ettepanek paigutada kvantpunktid 50–300 nm läbimõõduga inertsetesse polümeerikeradesse ja kasutada neid luminofooridena juhtudel, kui nanosfääride suhteliselt suur suurus ei takista nende kasutamist. Kasuta-