Квантовые точки

Преимущества и недостатки квантовых телевизоров

Технология квантовых точек не стала колоссальным прорывом в мире науки, она является отличной доработкой технологии LED. Корейской компании Самсунг удалось создать высококачественный продукт. Устройства имеют такие преимущества:

  • Увеличенная цветовая гамма. В арсенале телевизоров QLED больше миллиарда цветов, а в обычных LED-дисплеях – немногим больше 16 миллионов.
  • Квантовые частицы способны воспроизводить 100% объема цвета. Это подтвердили специалисты немецкого научно-технического объединения Verband Deutscher Elektrotechniker. При формировании изображения в структуру цвета вносится минимальное искажение.
  • Пиковая яркость достигает 1500-2000 нит. Показатель открывает возможность использования технологий HDR 10 и Dolby Vision. Такой показатель отчасти достигается путем снижения отражательной способности экрана. Дисплей имеет лучшую цветопередачу, равномерно рассеивает свет.
  • Цвета не искажаются при взгляде на экран под любым углом обзора.
  • У квантовых телевизоров Samsung великолепный дизайн. Устройство стало тоньше и легче, имеет очень узкие рамки.
  • Модели QLED потребляют 140-195 Вт/час. Это немного, энергопотребление плазменного телевизора – 300-500 Вт/час, а ЖК-экрана с большой диагональю – 200-250 Вт/час.

Недостатки у хваленых квантовых телевизоров тоже имеются. Их немного, но для любителей идеального изображения они являются существенными:

  • Не самая лучшая контрастность. В модели используются VA-панели, но нет локальных функций затемнения. Из-за этого возможность управления уровнем черного меньше, чем у телевизоров LED LCD и OLED.
  • Необходимость LED-подсветки. Технология Quantum dot еще совершенствуется, и пока что существующим квантовым моделям необходимы светодиодные лампы.
  • Высокая стоимость. Цена телевизоров QLED стартует от 120 000 рублей, а модели 2019 года стоят около 330 000 р.

Производство

Технология QLED начала активно разрабатываться в 2004 году. Ученые основали исследовательскую лабораторию QD Vision, вскоре к их штату подключись компании LG Electronics и Samsung. В 2011 году специалисты фирмы Самсунг создали прототип цветного экрана на квантовых частицах, но в серийное производство он не пошел. В 2013 году компания SONY представила флагманский квантовый телевизор KD-65X9000A. В основе модели лежит подсветка Triluminos: в ней применяются синие диоды, а желтые люминофоры отсутствуют.

На выставке CES 2015 было представлено немало разработок. Это модель SUHDTV от Samsung, Ultra HD от LG, QD Vision от китайской компании TCL, ULTRA LED от Hinsense. Самые популярные квантовые телевизоры у компании Самсунг, в 2019 году она представила несколько усовершенствованных новинок в линейке SUHD. Самая доступная модель:

  • Название: Samsung 49″ Q7F 4K Smart QLED TV (QE49Q7FAMUXRU).
  • Цена: 119 900 р.
  • Характеристики: плоский экран с разрешением 3840х2160, показатель качества изображения 3100. Технологии HDR 1500, Ultra Black (устранение бликов от источников внешнего освещения), мощный процессор Q Engine. Управление универсальным пультом One Remote, функции Smart View, Auto Detection, поддержка Dolby Digital Plus. Потребляемая мощность 160 Вт, пиковое значение яркости 73%.
  • Плюсы: красивый безрамочный дизайн, естественное изображение, насыщенные цвета, четкая картинка, качественный звук, простое управление.
  • Минусы: неудобный блок подключения, нет функции улучшения контрастности изображения.

Если есть возможность купить телевизор на квантовых точках подороже, обратите внимание на линейку Samsung Q9F. Представленную ниже модель признали лучшей среди телевизоров с функцией HDR, она заняла первое место в трех номинациях: REFERENZ, INNOVATION, HIGHLIGHT 2019. Основные функции такие же, как и у предыдущего устройства, но усовершенствованные:

  • Название: Samsung 88″ Q9F 4K Smart QLED TV (QE88Q9FAMUXRU).
  • Цена: 1 499 990 р.
  • Характеристики: технология HDR 2000, широчайшие углы обзора, материал корпуса – металл, показатель качества изображения 3400, есть функция улучшения контрастности, повышения четкости передачи динамических сцен. Потребляемая мощность 395 Вт, пиковое значение яркости 88%.
  • Плюсы: тонкий, органично вписывается в любой интерьер, имеет максимальный цветовой диапазон, великолепную контрастность, отличается быстродействием.
  • Минусы: дорого.

Чем отличаются QLED и OLED

Это два принципиально разных понятия. OLED (organic light-emitting diode) – технология создания телевизоров на органических светодиодах. Между двумя проводниками помещается органическая пленка на углеродной основе. Проводники излучают электрический ток, который улавливают светодиоды, и начинают светиться. Каждый пиксель испускает волну определенного цвета, и стоящие рядом пиксели никак не влияют друг на друга. Телевизоры OLED серийно производят компании LG, Sony, Panasonic. Сравнительные характеристики технологий:

Критерий

Телевизор на квантовых точках QLED

Телевизор на органических светодиодах OLED

Принцип работы

Нанокристиллы светятся определенным цветом, когда на них попадает излучение диодных лам

Органические диоды не требуют источника света, они светятся самостоятельно

Уровень контрастности

Высокий, но неидеальный

Глубокий, яркий черный цвет, идеальный уровень контрастности

Объем цвета

Непревзойденная цветопередача, встроенный мульти-HDR

Отличная цветопередача, но уступает QLED

Время отклика

9,9 мсек – пиксели перемещаются быстро, поэтому изображение получается с меньшим смещением

0,1 мсек – пиксели меняют цвет мгновенно

Угол обзора

Широкий

Максимальный

Срок службы телевизора

Длительный

2-3 года в режиме умеренного использования (не больше 7000 часов) – пиксели со временем выгорают

OLED: за и против


«Четкость прорисовки телевизором Sony A1 контуров и текстур превосходит наши и без того высокие ожидания от этой технологии»

OLED (Organic Light-Emitting Diode – органический светодиод) – это технология создания дисплеев, основанная на том, что органическая пленка на углеродной основе помещается между двумя проводниками, пропускающими электрический ток, из-за которого пленка излучает свет.

Главное отличие этой технологии в том, что свет испускается каждым пикселем в отдельности, так что яркий белый или красочный цветной пиксель может находиться рядом с пикселем черного или совершенно другого цвета, и они не будут влиять друг на друга.

Это отличает их от традиционных ЖК-панелей, которые оснащаются специальной подсветкой, свет от которой проходит через слой пикселей.

Несмотря на множество попыток улучшения, ни одному телевизору с подсветкой не удалось полностью избавиться от проблем просачивания света от ярко освещенного пикселя к его соседям.


«С LG OLED55B7V вы всегда будете чувствовать, что видите в точности то, что было задумано»

Другими преимуществами технологии OLED являются более тонкие и легкие панели по сравнению с ЖК-телевизором со светодиодной подсветкой, значительно более широкий угол просмотра и намного более короткое время отклика.

А главный недостаток OLED – высокая стоимость их производства. Цены постепенно становятся более реалистичными – в немалой степени благодаря компании LG, единственному на данный момент производителю OLED-панелей для телевизоров, продающему их другим брендам ТВ (таким как Sony и Panasonic), повышая объем производства и конкуренцию на рынке – однако OLED-телевизоры по-прежнему остаются значительно более дорогими, чем модели на базе других технологий.

Кроме того, на данный момент в продаже нет OLED-телевизоров с диагональю меньше 55 дюймов.

И, наконец, OLED-телевизоры пока не могут сравниться пиковой яркостью с лучшими моделями с подсветкой.

Читать также: Все, что вам необходимо знать об OLED-ТВ

QLED: за и против


«Особенно впечатляют чистота и детальность Samsung QE49Q7C в ярко освещенных и красочных эпизодах»

Единственный крупный производитель, не пожелавший использовать технологию OLED – это Samsung, который предпочел альтернативную разработку под названием QLED.

Технология QLED (Quantum-dot Light-Emitting Diode – светодиод на квантовых точках) теоретически имеет много общего с OLED, поскольку в ней каждый пиксель также излучает собственный свет, в данном случае при помощи квантовых точек – крошечных фрагментов полупроводников размером всего несколько нанометров.


«Самое большое преимущество ЖК-телевизоров со светодиодной подсветкой относительно OLED-моделей – их яркость»

Теоретически такие квантовые точки способны создавать невероятно яркие, живые и разнообразные цвета, превосходя в этом отношении даже OLED.

Проблема заключается в том, что квантовые точки в современных QLED-телевизорах не излучают свет; им приходится полагаться на подсветку, также как панелям обычных ЖК-телевизоров со светодиодной подсветкой.

Впрочем, квантовые точки все же повышают яркость и управляемость цветов по сравнению с ЖК; однако это все же не та революционная технология нового поколения, какую все ожидали от QLED – это скорее модификация технологии, которую компания Samsung использовала в 2016 году.


«Телесные тона отменно сбалансированы, они отличаются естественностью цветов и тонкой проработкой»

Но не стоит списывать QLED-технологию со счетов только потому, что она не соответствует изначальным обещаниям, связанным с применением квантовых точек. Судя по уже изученным нами моделям, у QLED-телевизоров значительно более яркая и живая картинка, чем у их OLED-конкурентов.

Однако потребность в дополнительной подсветке означает, что нам придется мириться с компромиссами ЖК-технологии, на которые мы жаловались столько лет. И, конечно, QLED-панели с подсветкой не способны быть таким сверхтонкими, как OLED – например, «телевизор-обои» LG OLED65W7.

Но главная проблема этого подхода в том, что для освещения небольших ярких объектов в центре экрана приходится существенно повышать общий уровень подсветки, что негативно влияет на глубину черных областей изображения.

Способность OLED-панелей подсвечивать каждый пиксель в отдельности обеспечивает им значительное преимущество в этом отношении. Несмотря на то, что общая яркость у них неизбежно ниже, контрастность просто великолепна.

Если изображение состоит из очень темных и очень ярких элементов, OLED-телевизорам намного эффективнее удается сочетать их, что демонстрируют Sony KD-55A1 и LG OLED55B7V.

Идеальная технология будет сочетать яркость и красочность современных QLED-телевизоров с качеством черного цвета и несравненной контрастностью OLED-панелей, и большинство специалистов считают, что это сочетание будет достигнуто в следующем поколении панелей, у которых квантовые точки будут излучать свет по отдельности – и некоторые производители, включая LG, по слухам, уже работают над этим.

Даже на Samsung QE55Q7F временами заметно, что уровень темноты в этих областях (особенно это касается черных полос над и под изображением при просмотре фильма) меняется в зависимости от действия на экране, и это может раздражать.

Окончательный вердикт

Долго ли ждать до появления этого следующего поколения QLED-моделей, пока неясно. Так что сегодня покупателям телевизоров придется выбирать один из двух компромиссных вариантов по своему вкусу.

Судя по уже знакомым нам моделям, более естественное и реалистичное изображение OLED-телевизоров представляется более привлекательным, чем энергичность QLED-конкурентов.

Однако актуальная линейка Samsung заметно дешевле OLED-моделей 2017 года, так что многие потенциальные потребители могут предпочесть QLED-телевизор.

Подготовлено по материалам портала «What Hi-Fi?», июль 2017 г. www.whathifi.com

Статья входит в разделы:Как выбрать. Гид покупателяПолезные советы

Квантовые точки — это крошечные кристаллы, излучающие свет с точно регулируемым цветовым значением. Технология Quantum dot LED существенно повышает качество изображения, не влияя при этом на конечную стоимость устройств, в теории :).

Обычные жидкокристаллические телевизоры могут охватывать лишь 20–30% цветового диапазона, который способен воспринимать человеческий глаз. Изображение на OLED-экране обладает большой реалистичностью, но данная технология не ориентирована на массовое производство больших диагоналей дисплеев. Кто следит за рынком телевизоров, помнит, что еще в начале 2013 года Sony представила первый телевизор на основе квантовых точек (Quantum dot LED, QLED). Крупные производители телевизоров выпустят модели телевизоров на квантовых точках в этом году, Samsung их уже представил в России под названием SUHD, но об этом в конце статьи. Давайте узнаем, чем отличаются дисплеи, произведенные по QLED технологии, от уже привычных ЖК-телевизоров.

В ЖК-телевизорах отсутствуют чистые цвета

Ведь жидкокристаллические дисплеи состоят из 5 слоев: источником является белый свет, излучаемый светодиодами, который проходит через несколько поляризационных фильтров. Фильтры, расположенные спереди и сзади, в совокупности с жидкими кристаллами управляют проходящим световым потоком, понижая или повышая его яркость. Это происходит благодаря транзисторам пикселей, влияющие на количество света, проходимое через светофильтры (красный, зеленый, синий). Сформированный цвет этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов происходит довольно «гладко», но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий попросту невозможно. Камнем преткновения выступают фильтры, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый ряд различных по длине волн. К примеру, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.

Светодиод излучает свет при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны (e) переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. В результате полученные фотоны (P) имеют различную энергию, что выражается в различной длине волн излучения.

Стабилизация света квантовыми точками

В телевизорах QLED в качестве источника света выступают квантовые точки — это кристаллы размером лишь несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением. Данный эффект достигается мизерными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве. Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. К примеру, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.

Массовое производство синих кристаллов очень сложное и затратное, поэтому представленный в 2013 году компанией Sony телевизор не является «породистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек. В задней части производимых их дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока.

QLED телевизор с дисплеем на основе технологии квантовых точек от Samsung

Компания Samsung Electronics представила в России премиальные телевизоры, изготовленные по технологии квантовых точек. Новинки с разрешением 3840 × 2160 пикселей оказались не из дешёвых, а флагманская модель вовсе оценена в 2 млн рублей.

Нововведения. Изогнутые телевизоры Samsung SUHD на квантовых точках отличаются от распространённых ЖК-моделей более высокими характеристиками цветопередачи, контрастности и энергопотребления. Интегрированный процессор обработки изображения SUHD Remastering Engine позволяет масштабировать видеоконтент низкого разрешения в 4K. Помимо этого, новые телевизоры получили функции интеллектуальной подсветки Peak Illuminator и Precision Black, технологии Nano Crystal Color (улучшает насыщенность и естественность цветов), UHD Dimming (обеспечивает оптимальный контраст) и Auto Depth Enhancer (автоматическая настройка контрастности для определённых областей картинки). В программной основе телевизоров лежит операционная система Tizen с обновлённой платформой Samsung Smart TV.

Цены. Семейство Samsung SUHD TV представлено в трёх сериях (JS9500, JS9000 и JS8500), где стоимость начинается со 130 тыс. рублей. Во столько российским покупателям обойдётся 48-дюймовая модель UE48JS8500TXRU. Максимальная цена на телевизор с квантовыми точками достигает 2 млн рублей — за модель UE88JS9500TXRU с 88-дюймовым изогнутым дисплеем.

Квантовая точка

У этого термина существуют и другие значения, см. Точка (значения). Квантовые точки, люминесцирующие в видимой области от фиолетового до красного, производятся в килограммовых масштабах на PlasmaChem GmbH Квантовые точки сульфида кадмия

Ква́нтовая то́чка — фрагмент проводника или полупроводника (например InGaAs, CdSe, CdS или GaInP/InP), носители заряда (электроны или дырки) которого ограничены в пространстве по всем трём измерениям. Размер квантовой точки должен быть настолько мал, чтобы квантовые эффекты были существенными. Это достигается, если кинетическая энергия электрона заметно больше всех других энергетических масштабов: в первую очередь больше температуры, выраженной в энергетических единицах.

Энергетический спектр квантовой точки дискретен, и расстояние между стационарными уровнями энергии носителя заряда зависят от размера квантовой точки как ℏ 2 / 2 m d 2 {\displaystyle \hbar ^{2}/2md^{2}} (где ħ — приведённая постоянная Планка, d — характерный размер точки, m — эффективная масса электрона на точке). Вследствие этого электронные и оптические свойства квантовых точек занимают промежуточное положение между объёмным полупроводником и дискретной молекулой.

Проще говоря, квантовая точка — это полупроводник, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы. Чем меньше размер кристалла, тем больше расстояние между энергетическими уровнями. Например, при переходе электрона на энергетический уровень ниже, испускается фотон; так как мы можем регулировать размер квантовой точки, то мы можем изменять энергию испускаемого фотона, а значит, мы можем изменять цвет испускаемого квантовой точкой света. Основное преимущество квантовой точки заключается в возможности высокоточного контроля над её размером, а следовательно и над проводимостью, что позволяет создавать флуорофоры разных цветов из одного и того же материала по одной методике.

Квантовые точки разных размеров могут быть собраны в градиентные многослойные нанопленки (англ.)русск..

История

Квантовые точки были впервые получены в 1981-м году Алексеем Екимовым, а затем, в 1985-м году, Луисом Брюсом в коллоидных растворах. Термин «квантовая точка» был предложен Марком Ридом (англ.)русск.. Первыми квантовыми точками были микрокристаллы CuCl, выращенные в стёклах. В 1993 году появился метод синтеза квантовых точек из селенида кадмия в форме коллоидных нанокристаллов, где каждая квантовая точка представляет собой изолированный объект. Квантовый выход флуоресценции таких точек был всего 10 %. Его существенного увеличения удалось добиться формированием оболочки вокруг ядра.

В июне 2013 года в Physical Review Letters была опубликована статья с результатами открытия, сделанного учёными из индийского Института науки в Бангалоре. Согласно ему, квантовые точки, созданные на базе сплава цинка, кадмия и серы, легированного марганцем, светятся не только оранжевым цветом, как считалось до сих пор, а люминесцируют в диапазоне от тёмно-зелёного до красного. Практическая значимость открытия состоит в том, что квантовые точки из легированных марганцем сплавов прочнее, эффективнее и безопаснее.

Наиболее изучены квантовые точки на основе селенида кадмия. Но с появлением законодательства, ограничивающего использование материалов на основе тяжелых металлов, технологии стали развиваться в сторону производства квантовых точек, не содержащих кадмий.

Коллоидная квантовая точка, покрытая слоем стабилизатора > Типы квантовых точек

Различают два типа квантовых точек (по способу создания):

  • эпитаксиальные квантовые точки;
  • коллоидные квантовые точки.

Физико-химические свойства

  • Широкий спектр поглощения, что позволяет возбуждать нанокристаллы разных цветов одним источником излучения.
  • Узкий и симметричный пик флуоресценции (без «хвоста» в красной области, как у органических красителей, полуширина пика флуоресценции 25—40 нм), что обеспечивает чистый цвет: точки размером 2 нм — голубой, 3 нм — зеленый, 6 нм — красный.
  • Высокая яркость флуоресценции (квантовый выход >50 %).
  • Высокая фотостабильность.

Большинство свойств КТ, в том числе цвет излучения, зависит от размеров, формы и материалов, из которых они изготовлены.

Квантовой точкой может служить кристалл полупроводника, в котором реализуются квантово-размерные эффекты вследствие достаточно малого размера. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трёхмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними ℏ 2 2 m d 2 {\displaystyle {\frac {\hbar ^{2}}{2md^{2}}}} (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки). Аналогично переходу между уровнями энергии атома, при переходе между энергетическими уровнями квантовой точки может излучаться фотон. Возможно также забросить электрон на высокий энергетический уровень, а излучение получить от перехода между более низколежащими уровнями (люминесценция). При этом, в отличие от настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры кристалла. Собственно, наблюдение люминесценции кристаллов селенида кадмия с частотой люминесценции, определяемой размером кристалла, и послужило первым наблюдением квантовых точек.

В настоящее время множество экспериментов посвящено квантовым точкам, сформированным в двумерном электронном газе. В двумерном электронном газе движение электронов перпендикулярно плоскости уже ограничено, а область на плоскости можно выделить с помощью затворных металлических электродов, накладываемых на гетероструктуру сверху. Квантовые точки в двумерном электронном газе можно связать туннельными контактами с другими областями двумерного газа и изучать проводимость через квантовую точку. В такой системе наблюдается явление кулоновской блокады.

Конструкции квантовых точек

Квантовая точка состоит из ядра и защитной оболочки из материала с более широкой запрещенной зоной. Она уменьшает дефекты на поверхности ядра, что приводит к повышению квантового выхода флуоресценции до 90 %, предотвращает деградацию кт и высвобождение токсичных ионов кадмия. Материалом ядра могут быть CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, InP, InAs, PbSe/Te, сплавы CdSe/Te CdAgTe, CdSe/Te CdHg; оболочки — ZnS, CdS, ZnSe. У КТ для биомедицинских исследований есть ещё два слоя: стабилизатор и слой инертных молекул (пептиды, липиды) или нейтральная гидроксильная оболочка. Стабилизатор — кремниевая, полимерная или силиконовая оболочка — обеспечивает защиту внутренних структур от агрессивного воздействия окружающей среды, определяет способность квантовых точек диспергироваться в растворители и возможность прививки к их поверхности различных биологически активных молекул, которые будут доставлять КТ к нужным тканям и клеткам. Липиды используются для уменьшения неспецифичного связывания.

Квантовые точки могут быть различной формы и размера, но чаще всего это сферы диаметром 2—10 нм, и состоят они из 103—105 атомов.

Применение квантовых точек

Квантовые точки являются перспективными материалами в медицине, биологии, оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике, полиграфии, энергетике.

Коллоидные квантовые точки являются хорошей заменой традиционных люминофоров, как органических, так и неорганических. Они превосходят их по фотостабильности, яркости флуоресценции, а также имеют некоторые уникальные свойства. Оптические свойства этих нанокристаллов используются в самых неожиданных исследованиях, в которых требуется удобная, перестраиваемая люминесценция, например в биологических исследованиях. Например, квантовые точки разных размеров проникают в разные части клеток и окрашивают их в разные цвета.

Квантовые точки всё больше используются в качестве биомаркеров для визуализации в медицине, например для окрашивания опухолей или аутоиммунных антител, доставки лекарств к нужным тканям (присоединяя лекарственные вещества к наночастицам, можно более точно нацеливать их на опухоли).

Ещё недавно о широком применении квантовых точек в электронике речи не шло, но в последние годы ряд компаний выпустил на рынок продукцию с использованием данных наночастиц. Среди анонсированных продуктов имеются как экспериментальные образцы, так и массовые изделия. Компания LG Display ещё в 2010 году создала первые прототипы дисплеев на основе квантовых точек. В 2015 году TPV Technology разработала совместно с QD Vision и выпустила в продажу первый потребительский монитор 276E6ADS на базе квантовых точек. В настоящее время жк-панели с подсветкой на квантовых точках (QD-LED) устанавливают в свои телевизоры Samsung, LG Electronics, Sony, TCL Corporation, Hisense. Существует программа создания устройств отображения, где сами квантовые точки будут выступать в роли светоизлучателей.

Возможное применение квантовых точек: полевые транзисторы, фотоэлементы, LED, лазерные диоды. Компания Nexxus Lighting в 2009 году выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек.

На основе КМ можно изготавливать покрытия, изменяющие излучение существующих источников света или солнечного света, что может быть применимо, например, в сельском хозяйстве для преобразования ультрафиолетового света в красный, который полезен растениям.

Квантовые точки также применяются в гибридных солнечных батареях в качестве материала, преобразующего солнечную энергию в постоянный электрический ток. Использование квантовых точек в многослойных солнечных батареях позволяет добиться более эффективного поглощения солнечного излучения, так как они могут поглощать свет в более широком диапазоне (включая инфракрасный и ультрафиолетовый), чем традиционные солнечные элементы.

UbiQD, Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (англ.)русск., Лос-Аламосская национальная лаборатория разрабатывают люминесцентный солнечный концентратор (LSC) на квантовых точках.

Квантовые точки могут входить в состав чернил для защиты документов и ценных бумаг от фальсификации.

Квантовые точки — один из главных кандидатов для представления кубитов в квантовых вычислениях.

Производство

Квантовые точки для дисплеев производит компания Nanosys (англ.)русск.. Свою технологию QDEF (Quantum Dot Enhancement Film — улучшающая плёнка с квантовыми точками) она представила на выставке SID (Society for Information Display (англ.)русск.) в 2011 году. Первыми лицензиатами данной технологии стали Samsung Electronics и 3M.

В 2004 году для разработки технологии QLED была основана лаборатория QD Vision (США, Лексингтон (Массачусетс)). Изначально предполагалось изготовление из квантовых точек непосредственно субпикселей матрицы дисплея, но технология оказалась сложной и затратной, и компания сконцентрировалась на усовершенствовании подсветки на квантовых точках жк-дисплеев. Внедрить технологию в производство телевизоров удалось благодаря сотрудничеству с LG, Sony, TCL Group и Samsung, которая и купила QD Vision в 2016 году.

Собственной технологией производства безкадмиевых квантовых точек обладает компания Nanoco (англ.)русск., созданная в 2001 году в Манчестере. Компания выпускает плёнку CFQD® для средств отображения и садоводческого освещения. Её завод находится в Ранкорне.

Производством QD-материалов занимается компания Dow Chemical. В 2013 году она получила лицензию от Nanoco на производство, маркетинг и продажу её материалов. К 2015 году Dow Chemical построила завод в Чхонане (Южная Корея) и наладила производство квантовых точек, не содержащих кадмия. Вместо него используется индий. Первые телевизоры с данной технологией были представлены Samsung и LG на выставке CES 2015.

Разработкой собственной QD-технологии занимается компания Merck Group (англ.)русск..

В России в 2011—2014 годах квантовые точки под брендом QDLight производило микропредприятие «Научно-технологический испытательный центр „Нанотех-Дубна“» в рамках совместного проекта с РОСНАНО и ФГУП «Научно-исследовательский институт прикладной акустики». В 2017 году оно было ликвидировано.

Квантовые точки для создания солнечных элементов производят Quantum Materials Corporation и её дочерняя компания Solterra Renewable Technologies — по собственной запатентованной технологии и QD Solar.

См. также

  • Наноматериал
  • Квантовый провод
  • Двумерный электронный газ
  • Квантовый точечный контакт
  • Дисплей на квантовых точках
  • Лазер на квантовых точках
  • Программируемая материя
  • Квантовая антиточка
  1. 1 2 Академик Ж. И. Алфёров по этому поводу писал: «Первые полупроводниковые точки — микрокристаллы соединений AIIBVI, сформированные в стеклянной матрице, были предложены и реализованы А. И. Екимовым и А. А. Онущенко».
  1. 1 2 3 4 Васильев Р. Б., Дирин Д. Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. — Методические материалы. — Москва: ФНМ МГУ, 2007. — 34 с.
  2. www.evidenttech.com: How quantum dots work.. Архивировано 1 февраля 2010 года. Дата обращения 15 октября 2009.
  3. 1 2 Екимов А. И., Онущенко А. А. Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников // Письма в ЖЭТФ. — 1981. — Т. 34. — С. 363—366.
  4. Алфёров Ж. И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур // Физика и техника полупроводников. — 1998. — Т. 32, № 1. — С. 12.
  5. Nanotechnology Timeline (англ.). National Nanotechnology Initiative (26 November 2015). Дата обращения 14 декабря 2016.
  6. Discovery of Quantum Dots (1981) (англ.). Jeremy Norman & Co., Inc. (2004—2016). Дата обращения 14 декабря 2016.
  7. Reed MA, Randall JN, Aggarwal RJ, Matyi RJ, Moore TM, Wetsel AE (1988). “Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure”. Phys Rev Lett. 60 (6): 535—537. Bibcode:1988PhRvL..60..535R. DOI:10.1103/PhysRevLett.60.535. PMID 10038575. (1988).
  8. Murray C. B., Norris D. J., Bawendi M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites (англ.) // J. Am. Chem. Soc. : журнал. — 1993. — № 115 (19). — С. 8706–8715.
  9. Олейников В. А., Суханова А. В., Набиев И. Р. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине (неопр.). — Российские нанотехнологии. — 2007. — Т. 2. — С. 160—173.
  10. ТР ЕАЭС 037/2016. Решение Совета Евразийской экономической комиссии от 18 октября 2016 года N 113. Дата обращения 19 апреля 2019.; Директива 2011/65/EU от 8 июня 2011 года. Европейский парламент и Совет ЕС. Дата обращения 16 мая 2019.
  11. QLED и его отличия от OLED и LED. ULTRA HD (6 мая 2017). Дата обращения 17 апреля 2019.
  12. Здобнова Т. А., Лебеденко Е. Н., Деев С. М. Квантовые точки для молекулярной диагностики опухолей (рус.) // Aсta Naturae : журнал. — 2011. — Т. 3, № 1 (8). — С. 32—52.
  13. Свойства квантовых точек
  14. Igor Nabiev, Siobhan Mitchell, Anthony Davies, Yvonne Williams, Dermot Kelleher, et. al. Nonfunctionalized Nanocrystals Can Exploit a Cell’s Active Transport Machinery Delivering Them to Specific Nuclear and Cytoplasmic Compartments (англ.) // Nano Lett : журнал. — 2007. — № 7 (11). — С. 3452—3461.
  15. Yvonne Williams, Alyona Sukhanova, Małgorzata Nowostawska, Anthony M. Davies, Siobhan Mitchell, et. al. Probing Cell-Type-Specific Intracellular Nanoscale Barriers Using Size-Tuned Quantum Dots (англ.) // Small : журнал. — 2009. — № 5. — С. 2581—2588.
  16. Олейников В. А. Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии (англ.) // Природа : журнал. — 2010. — № 3. — С. 22—28.
  17. Начато производство дисплеев на квантовых точках. MEMBRANA (4 июня 2010). Дата обращения 15 апреля 2019.
  18. MMD, QD Vision Introduce World’s First Quantum Dot Monitor. BusinessWire. Дата обращения 17 апреля 2019.
  19. В 2018 году ЖК-телевизоры с квантовыми точками превзошли OLED по числу продаж, но уступили по доходу. STEREO&VIDEO (12 марта 2019). Дата обращения 15 апреля 2019.
  20. Первые коммерческие лампы на квантовых точках. NANO NEWS NET (7 мая 2009). Дата обращения 24 апреля 2019.
  21. 1 2 This company’s ‘tiny dots’ promise to turn the entire renewable energy industry on its head. StockGumshoe (15 февраля 2017). Дата обращения 24 апреля 2019.
  22. Эффективность солнечных батарей на квантовых точках продолжает расти. NANO NEWS NET (1 ноября 2017). Дата обращения 24 апреля 2019.
  23. Solar-Panel Windows Made Possible by Quantum Dot Breakthrough. International Business Times (17 апреля 2014). Дата обращения 24 апреля 2019.
  24. Урожай решений IQDEMY. Квантовые точки и полимер. IQDEMY (20 сентября 2018). Дата обращения 25 апреля 2019.
  25. Квантовые точки. Уникальный материал для систем криптозащиты. ООО «НТИЦ «Нанотех-Дубна» (2011). Дата обращения 25 апреля 2019.
  26. 1 2 Запущена первая очередь производства коллоидных квантовых точек. Время инноваций. Дата обращения 23 апреля 2019.
  27. Васильков А. Зачем телевизорам квантовые точки, или нанотехнологии в быту. КОМПЬЮТЕРРА (17 января 2013). Дата обращения 18 апреля 2019.
  28. Квантовые амбиции Samsung. AbbGroup (24 ноября 2016). Дата обращения 18 апреля 2019.
  29. Cadmium free quantum dots. Nanoco Group. Дата обращения 16 мая 2019.
  30. Samsung may introduce cadmium-free quantum dots LCD TVs in 2015. Оled-info (22 октября 2014). Дата обращения 18 апреля 2019.
  31. Детинич Г. Merck Korea представила материалы для «футуристических» дисплеев. 3Dnews (21 октября 2017). Дата обращения 18 апреля 2019. — крупнейший в мире производитель жидких кристаллов
  32. Производство квантовых точек методом коллоидного синтеза. РОСНАНО. Дата обращения 23 апреля 2019.
  33. ООО «НТИЦ „Нанотех-Дубна“». Nalog.io (23 апреля 2019).

10. Заключение

• Квантовые точки являются ещё не достаточно хорошо
изученным объектом нанотехнологии. Несмотря на
заманчивые идеи применения этих объектов в современной
науке и жизни, до массового использования квантовых точек
всё же ещё очень далеко.
• Кроме того внедрение таких технологий как квантовые
вычисления и наномедицина поднимают множество самых
разных этических проблем. Так например, создание
квантового компьютера поставит под удар все существующие
ныне системы конфиденциального обмена данными, не
говоря уже про наномедицину. Вспоминая термин «мирный
атом», человек невольно задумывается, что такое
нанотехнология – панацея или «новая Хиросима»!?…

РЕКЛАМА

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!