Создание Интернет-сайта

Квантовые точки – троянский конь в микроэлектронике или огромный скачок в будущее?

Первая мысль, что это очередные придумки маркетологов. Однако, на самом деле, это уникальная технология, причем открытая российскими учеными-физиками, способная произвести настоящую революцию во многих отраслях науки и техники.

То, что будущее мировой экономики именно за «цифрой», сегодня понятно всем более или менее вменяемым прогнозистам. Размеры современных приборов уменьшаются с каждым днем благодаря компактности микросхем. А что если микросхемы станут наносхемами? Взять к примеру квантовую точку.  Ее размеры сравнимы с размерами вируса – ­от одного до нескольких десятков нанометров. Понятно, что управлять отдельными атомами невозможно. Но оказалось, что если их соединить при определенных условиях в большие кластеры, то можно, причем без всяких усилий, как мы ­включаем и выключаем лампочку в подъезде. Ученые-физики уже давно придумали квантовые ямы и барьеры, которые позволяют делать это не только лабораторным, но и промышленным способом.

Так что же такое квантовая точка? По сути это искусственно выращенный нанокристалл, состоящий из сотен тысяч атомов. Его необычность в том, что это своеобразная ловушка, прочная «клетка» для электронов, попадая в которую они ведут себя строго определенным образом и обладают только определенным спектром значений энергии, управляемым извне приложенным электрическим потенциалом. Именно этот дискретный спектр значений энергии делает поведение массивной квантовой точки похожим на поведение одиночного атома. Его можно легко возбудить, например, электричеством или светом, чтобы все его электроны перешли в состояние с повышенной энергией, а при переходе обратно в состояние с меньшей энергией квантовая точка излучила фотон, который мы увидим в виде света определенной цветовой гаммы, т.е. эти нанокристаллы светятся.

Основное достоинство квантовых точек еще и в том, что ­излучаемый ими спектр волн зависит только от размера самих точек – точки побольше дают красные оттенки, поменьше – ­фиолетовую гамму. Это означает, чтобы получить излучение заданной частоты (цвета), нужно просто вырастить кристаллы нужного размера. А это современные физики-кристаллографы умеют делать очень хорошо, просто отлично. Они способны выращивать искусственные кристаллы с заданными свойствами, укладывая атомы с точность до одного слоя. При этом квантовые точки могут иметь форму шаров, пирамид, капель и т.д. Конкретный вид зависит только от технологических условий их получения. И не обязательно им быть точками, это могут быть квазимолекумы, целые массивы на плоскости, многослойные структуры и даже квазикристаллы.

 

Немного истории

Любопытно, что человек познакомился с квантово-размерным эффектом задолго до того, как узнал о существовании квантов. Еще древние египтяне и греки умели изготавливать цветные стекла, добавляя в них наночастицы металлов. Но расцвета эти технологии достигли в средние века. Стеклянные витражи храмов, сохранившиеся до наших дней, обязаны своим великолепием наночастицам коллоидного золота, серебра и других металлов, благодаря которым была достигнута невероятная яркость и долговечность окраски стекла. Они бы очень сильно удивились, узнав, какой сложной теорией опишут их опыт потомки.

Современная история квантовых точек началась в 1981 году, когда их открыли советские физики Алексей Екимов и Алексей Онущенко, выращивая микрокристаллы меди в стеклянной матрице. В 1982 году братья Алексей и Александр Эфросы создали базовую теорию квантовых точек. А сам термин «квантовые точки» придумал в 1988 году ученый Марк Рид, группе которого удалось впервые получить их методом литографии.

Сразу после открытия начались разработки по созданию лазеров и гетероструктур, за которые в 2001 году российский Нобелевский лауреат Жорес Алферов получил Государственную премию.

В 2000-е годы пришло время перейти от сугубо научной работы к практической – изготовлению промышленных образцов. Но несмотря на перспективу широкого использования подобной технологии, от сельского хозяйства до медицины и космоса, основное реальное применение она нашла в производстве светоизлучающих приборов (лазерных диодов, светодиодов, телевизоров, мониторов и пр.)

 

Чем они хороши, эти квантовые точки?

Осветительные приборы на основе светодиодов на квантовых точках обладают белым светом с более комфортными, приятными для человеческого глаза спектральными характеристиками в сочетании с большой яркостью. Для сравнения КПД и яркость у них в 20 раз больше, чем у всех других аналогичных источников света.

 

 

Что до телевизоров, то в них они тоже служат источниками света. Самое удивительное, что несмотря на то, что сама технология Color IQ была запатентована в далеком 2006 году, первый телевизор на квантовых точках появился лишь в 2013 году. Это был Sony XBR серии X900A. Вскоре примеру японского гиганта последовали LG, TCL, Samsung. А в 2015 году был выпущен первый компьютерный монитор Philips, использующий технологию Color IQ. Компания Samsung, к слову, уже вывела на рынок в общей сложности более нескольких десятков моделей телевизоров семейства SUHD TV с технологией квантовых точек. Видимо, в скором времени жидко-кристаллические экраны из-за своих технических проблем и дороговизны в производстве больших матриц будут вытеснены с рынка, а их место займут более дешевые и более качественные телевизоры и мониторы  с технологией Color IQ.

Ожидается, что использование квантовых точек решит еще и извечную принципиальную проблему всех дизайнеров и полиграфистов, выражающуюся в недостаточном качестве цветопередачи LED-экранов на органических светодиодах. Вся проблема состоит в том, что старая технология требует подсветки белым светом, в то время как традиционные светодиоды излучают синий цвет. Для получения белого света используется покрытие таких диодов желтым люминофором, поскольку смесь излучения диода с желтым светом люминофора воспринимается глазом как белый свет. Однако его спектр не позволяет обеспечить качественную передачу на экране естественных цветов изображения, несмотря на коррекцию светового баланса. Установленные же в системе подсветки квантовые точки излучают практически чистые спектральные цвета (красный, зеленый, синий - палитры RGB), которые, смешиваясь дают высококачественную белую подсветку.

К тому же, помимо улучшения цветопередачи и контрастности изображения, применение технологии Color IQ еще снижает энергопотребление, а также ведет к уменьшению размеров и массы устройств.

 

Где еще можно применять квантовые точки?

Спектр применения квантово-размерного эффекта очень велик. Так, например, способность излучать в узком спектральном диапазоне можно использовать для идентификации и защиты от подделок. Нанесенная на нужный объект (бумагу, ткань, дерево, металл, керамику и все, что угодно), метка из квантовых точек при облучении ее светом выдаст излучение со строго заданной комбинацией спектральных линий, однозначно определяющий объект и позволяющий закодировать информацию о нем. Причем это излучение легко регистрируется дистанционно.

 

 

Особо стоит упомянуть использование квантовых точек в качестве маркерных красителей в медицине и биологии. Они позволяют сделать видимыми органы, которые прозрачны для других видов диагностики. Например, можно внести раствор квантовых точек внутривенно, и тогда их свечение позволить изучить структуру кровеносной системы, движение крови и лекарственных средств по ней, обнаружить мельчайшие повреждения сосудов и аневризмы.

К поверхностно-активной оболочке коллоидных квантовых точек можно прикрепить молекулы, обеспечивающие их накопление, скажем, в раковой опухоли, что делает возможной ее наблюдение. Одновременно квантовые точки могут переносить лекарственные средства и антитела для опухолевых клеток. Единственная проблема применения таких препаратов в организме человека – токсичность материалов, используемых для создания квантовых точек. Ее решение  – в поиске нетоксичных соединений и совершенствовании защитных оболочек.

Из других перспективных применений квантовых точек стоить отметить создание на их основе высокоэффективных солнечных батарей и светочувствительных элементов. Их КПД как минимум втрое выше существующих аналогов. Далее вспоминаем про матрицы для регистрации изображений, элементы памяти и различные устройства наноэлектроники. Обсуждается также их использование для реализации квантовых нейронных сетей.

Так что рынок квантовых точек сейчас явно переживает оживление. В мире уже существует несколько десятков компаний, занимающихся их производством. По некоторым оценкам к 2022 году рынок использования квантовых точек составит более 10 млрд. долларов. И нашей стране стоит озаботиться, чтобы остаться не только лишь первооткрывателями, а занять достойное место среди производителей, тем более, что практические наработки у российских исследователей есть.

Интересный факт: для обеспечения потребностей страны нужно выращивать всего около 10 кг квантовых точек в год. И тогда микроскопические кристаллы с удивительными свойствами совершат настоящую революцию в самых разных отраслях медицины и электронной техники! 

 

 

Делитесь материалом в социальных сетях: