Одной из самых обсуждаемых тем на выставке CES 2015 в Лас-Вегасе были новые телевизоры большой диагонали с матрицами на основе квантовых точек. Маркетологи уже взяли неизвестный большинству термин на вооружение, чтобы “впарить” нам новые телевизоры, которые на 100500 процентов лучше предшественников. Но мы не отдадим вас, наши любимые читатели, на растерзание коварным маркетологам и расскажем, что такое квантовые точки, и с чем их едят.
Что такое квантовая точка?
Квантовая точка —это фрагмент полупроводника (реже — проводника), в котором электроны ограничены в пространстве по трем измерениям. Вся прелесть квантовой точки, в том что она настолько маленькая, что в ней наблюдаются квантовые эффекты. Первые квантовые точки были независимо синтезированы в 1980-х годах Алексеем Екимовым и Луи Брюсом. Само название “квантовая точка” (quantum dot) предложил Марк Рид.
Энергетический спектр квантовой точки дискретен, как в атоме, из-за чего квантовые точки еще называют “искусственными атомами”. И когда квантовая точка подвергается воздействию тока или света, электрон переходит между энергетическими уровнями и излучает фотон конкретной частоты. Регулируя размеры квантовой точки, можно изменить частоту излучения, то есть цвет луча. В зависимости от химического состава квантовой точки, может отличаться диапазон излучения.
Чем интересна квантовая точка в производстве дисплеев?
Первые попытки создать дисплей на базе квантовых точек из селенида кадмия предпринимались еще пять лет назад, но высокая токсичность кадмия препятствовала их появлению в потребительских устройствах. Также подобные дисплеи не отличались долговечностью — импровизированные пиксели теряли свою яркость уже после 10000 часов свечения. Но в 2013 году ученые с Индийского Института Науки в Бангалоре открыли, что квантовые точки созданные на базе сплава цинка, кадмия и серы, легированного марганцем, светятся не только оранжевым цветом, как считалось ранее, но и в диапазоне от темно-зеленого до красного. Практическая значимость открытия состоит в том, что квантовые точки из легированных марганцем сплавов прочнее, эффективнее, а их токсичность ничтожно мала.
После того, как инженеры сумели побороть эти основные недостатки, производители приступили к испытанию дисплеев нового типа, названного QD-LED. Главные преимущества QD-LED:
- затраты энергии на 30-50% меньше чем у LCD-дисплеев, поскольку пиксели QD-LED не требуют подсветки;
- яркость QD-LED дисплеев может достигать 40000 кд/м2, что в 50-100 раз превышает яркость LCD-дисплеев;
- квантовые точки растворимы как в водном так и в неводном растворителях, и потому могут применяться в гибких панелях;
- срок жизни QD-LED дисплеев существенно выше, чем у OLED, синие пиксели которых подвержены скорому выгоранию;
- маленький размер квантовых точек позволяет производить дисплеи с очень высокой пиксельной плотностью;
Где еще применяются квантовые точки?
В квантовых вычислениях
Квантовая точка является одним из наиболее перспективных кандидатов для применения в твердотельных квантовых вычислениях. Прикладывая малые напряжения к выводам, поток электронов через квантовую точку можно регулировать и, следовательно, точно измерять спин и другие свойства кристалла.
Кубиты, в отличие от классических битов, могут быть одновременно в состояниях 0 и 1. Состояние квантового бита, в отличие от классического, может меняться не только путем изменения вероятностей нахождения в одном из состояний, но и более тонко путем изменения амплитуд состояний, по аналогии с поворотом вектора фиксированной длины в двухмерном пространстве.
Элементарный шаг при квантовых вычисленияx – операция над N-кубитовой суперпозицией состояния регистра из N кубитов – выполняется так, что сразу все 2N амплитуд обрабатываются параллельно. В классическом компьютере подобное действие потребовало бы 2N отдельных элементарных шагов для обработки каждой амплитуды. Именно это свойство – квантовый параллелизм – приводит к экспоненциальному ускорению вычислительного процесса.
В биологии и медицине
Квантовые точки можно использовать практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов (за исключением только флуоресцентных внутриклеточных меток, экспрессируемых генетически — широко известных флуоресцентных белков).
Для визуализации биологических объектов или процессов квантовую точку можно вводить в объект непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, нанокристаллы разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному. Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом.
В солнечных батареях
Квантовые точки в состоянии повысить эффективность кремниевых фотоэлектрический ячеек и снизить затраты на их производство. Максимальный КПД современных солнечных батарей составляет 31% из-за того, что большая часть энергии солнечного света слишком высока, чтобы быть конвертированной в полезную электроэнергию. Избыток этой энергии так называемых «горячих электронов» теряется в виде тепла. Квантовые точки из селенида свинца поглощают больше «горячих электронов», которые могут быть захвачены солнечной батареей для эффективного преобразования в электричество. Исследования показывают, что КПД такой системы может достигать 66%.
Послесловие
Квантовые точки сделают дисплеи будущего еще четче, ярче и контрастнее. Пока что производство дисплеев QD-LED достаточно дорогое, о чем свидетельствует их появление только в самых дорогих телевизорах от LG и Samsung. Но в будущем есть все основания для удешевления устройств с такими матрицами, и возможно уже скоро QD-LED экраны появятся в портативной электронике: смартфонах, планшетах и умных часах. Ждем с нетерпением!
Спасибо за интересный материал, познавательно.