Opbygning af næste generations billedteknikker med infrarøde kvanteprikker

Quantum dots (QD)-teknologi transformerer belysnings- og displayindustrien. Et populært samtaleemne inden for nanoteknologi og materialvidenskab er disse halvleder-nanokrystaller, som er virkelig små halvlederpartikler, kun få nanometer i størrelse. 

Deres elektroniske og optiske egenskaber ligger mellem bulk-diskrete atomer og halvledere. Disse egenskaber afhænger faktisk både af størrelsen og formen på QD’erne. For eksempel udsender større kvanteprikker på 5–6 nm længere bølgelængder sammenlignet med de kortere bølgelængder, som mindre QD’er på 2–3 nm udsender. Desuden giver de større QD’er orange eller røde farver, mens de mindre giver blå og grøn. Specificiteten af disse farver afhænger dog af kvanteprikkernes sammensætning.

QDs er nanoskalale halvledermaterialer med tæt indespærrede elektroner eller elektronhuller, meget lig en 3D-partikel‑i‑en‑boks‑model. Ved at koble to eller flere af disse QD’er kan også et kunstigt molekyle dannes. Samtidig kan en præcis samling af dem danne supergitter, der fungerer som kunstige faststofmaterialer, hvis unikke optiske og elektroniske egenskaber kan styres. 

Allerede sidste år blev Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov og Louis E. Brus tildelt Nobelprisen i kemi for opdagelsen og udviklingen af kvanteprikker. QD’er er dog ikke så unge som teknologien. De blev først opdaget for mange årtier siden, i 1980, og har i årevis været brugt i LCD-skærme som fjernfosforer.

Det potentielle anvendelsesområde for kvanteprikker er ikke begrænset til displays, men strækker sig også til LED’er, lasere, solceller, enkelt‑fotonkilder, enkelt‑elektron‑transistorer, mikroskopi, bio‑billeddannelse, cellebiologisk forskning og katalyse af kemiske reaktioner. 

Drevet af den stigende efterspørgsel efter energieffektive belysningsløsninger og høj‑kvalitets displayenheder på tværs af forskellige industrier, forventes QD‑markedet at opleve imponerende vækst med en årlig vækstrate på 17,40 % i de kommende år. Den globale markedsstørrelse for QD forventes at nå 12,34 mia. $ inden udgangen af dette årti. 

I betragtning af deres brede anvendelse og forventede markedsvækst har kvanteprikker været genstand for omfattende forskning og eksperimentering. Dette har dog primært foregået i det synlige spektrum. Det betyder, at der stadig er meget at opdage om teknologien i ultraviolet‑ og infrarøde områder.

Infrarød teknologi har mange anvendelsesområder, så der er et stigende behov for omkostningseffektive, let‑udviklede og brugervenlige optoelektroniske materialer, som er justerbare og infrarøde‑aktive. Dette har ført til udviklingen af infrarøde kvanteprikker. På grund af kvanteindkapslingseffekten kan båndgaberne for infrarøde kvanteprikker justeres efter behov blot ved at ændre de dimensionelle begrænsninger.

Fremskridt i udviklingen af infrarøde kvanteprikker som infrarøde absorberere, f.eks. i solbrændstof og fotovoltaik, samt som infrarøde lysudsendere, som i biologisk billeddannelse og lysdioder, letter implementeringen af QD’er i nye anvendelser.

Klik her for en liste over de fem førende virksomheder inden for nanoteknologisk udvikling. 

Udvikling af høj‑kvalitets nanokrystaller

Nu har Andrew Smith, en bioingeniørprofessor ved University of Illinois at Urbana‑Champaign, og postdoc‑forsker Wonseok Lee udviklet nye høj‑kvalitets nanokrystalprodukter.

Publiceret i Nature Synthesis og finansieret af National Institutes of Health og National Science Foundation, var forskningen den første forekomst af infrarøde QD’er, der opfylder de samme høje standarder som dem i det synlige lysspektrum.

Selv efter næsten et halvt århundrede med nanokrystalteknologi har vi kun set fremskridt i nanokrystaller, der opererer i den synlige del af spektrummet. Dette giver mening, da de udgør en stor del af displayenheder.

Som Smith delte, er den største del af enhver teknologi lysudsendelse eller -absorption. Så fokus har været på at udvikle en teknologi med det største marked i dag.

Men det er ikke alt. Ud over at nanokrystaller i det synlige spektrum har en langt højere efterspørgsel, er kemien i de materialer, der anvendes i infrarødt, også sværere. Dette omfatter lavere energi og længere bølgelængder end lys i det synlige spektrum.

Nu kræver opnåelse af lysudsendelse og -absorption i infrarødt tungere elementer, hvis kemi er vanskelig. Dette betyder mindre forudsigelige reaktioner og flere uønskede side‑reaktioner.

Det er endda ikke slutningen. Disse tungere elementer er yderligere tilbøjelige til nedbrydning. De er også sårbare over for ændringer i omgivelserne, såsom vand.

Når det gælder kvanteprik‑nanokrystaller, kan de fremstilles af elementære halvledere, såsom silicium, eller de kan laves af to elementer (binære) eller tre elementer (ternære). Ved at blande to elementer sammen kan flere forskellige egenskaber opnås, og ved at kombinere tre kan endnu flere egenskaber realiseres.

Ved den førende institution i University of Illinois-systemet fokuserede forskerne kun på én type element, som de mener kan være det ‘perfekte’ materiale at fremstille. Materialet her er kviksølv‑cadmium‑selenid. Ifølge Smith:

“Du kan i princippet få enhver ønsket egenskab ved at ændre forholdet mellem cadmium‑ og kviksølv‑atomer. Det kan dække dette enorme område af det elektromagnetiske spektrum — fra hele infrarødt til hele det synlige spektrum — og opnå så mange egenskaber.”

Udnyttelse af de allerede udviklede QD’er 

Udviklingen af høj‑kvalitets infrarøde kvanteprikker har faktisk været i gang i flere år. I lang tid har forskningssamfundet forsøgt at opnå dette, med Smith selv involveret siden hans kandidatstudier. Men ingen af bestræbelserne har været succesfulde indtil nu.

Endelig var forskerne fra University of Illinois i stand til at fremstille et nyt materiale. De opnåede dette ved at tage noget, der allerede var perfektioneret. Så de tog det, som betragtes som den mest udviklede kvanteprik, og brugte det som det, Smith kaldte en ‘ofrigtig form’.

Cadmium‑selenid (CdSe) er en uorganisk forbindelse klassificeret som en II‑VI‑halvleder af n‑type. Den er gennemsigtig for infrarødt (IR) lys og meget luminescerende, men har haft begrænset anvendelse i fotomodstande.

Som forskningen bemærkede, er CdSe‑baserede kolloidale halvleder‑nanokrystaller blevet præcist optimeret til fotoniske anvendelser i det synlige spektrum. Moderne produkter viser faktisk strukturel ensartethed med næsten 100 % kvanteudbytte. 

Nu tog holdet cadmium‑selenid og erstattede cadmium‑atomerne (Cd) med kviksølv‑atomer (Hg). Øjeblikkeligt ændrede dette alt til infrarødt spektrum, mens alle ønskede egenskaber, herunder stærk lysudsendelse og stærk lysabsorption, blev bevaret.

For at opnå dette måtte forskerne opgive den konventionelle metode til syntese af nanokrystaller. Den traditionelle metode involverer først at blande forløber‑elementerne, og derefter, under de rette betingelser, nedbrydes de til den ønskede nanokristallstruktur.

Dog har ingen betingelser vist sig at fungere for selenid, kviksølv og cadmium. Så udviklede postdoc‑forsker Lee en ny metode kaldet interdiffusion‑forbedret kationudveksling.

I denne proces tilføjede holdet sølv som det fjerde element, hvilket introducerer fejl i materialet. Dette, sagde Smith, fik “alt til at blande sig homogent. Og det løste hele problemet.”

Til sidst udviklede holdet kviksølv‑selenid (HgSe) og kviksølv‑cadmium‑selenid (HgCdSe) nanokrystaller, som udsender og absorberer i infrarødt spektrum. Udviklet fra CdSe‑forløbere fra det synlige spektrum, som allerede er veludviklede, beholdt de nye materialer de ønskede egenskaber, herunder form, størrelse og ensartethed af cadmium‑selenid‑nanokrystallerne, samtidig med at de har forbedret absorption.

Disse homogene nanokrystaller, HgSe og HgxCd1−xSe‑legeringer, har også justerbare båndgab i infrarødt spektrum. Ifølge forskningen: “Efter passivering med heteroepitaktiske CdZnS‑skaller er fotoluminescens‑bølgelængder justerbare i kortbølget infrarødt ved sammensætning uden at ændre størrelse, med 80–91 % kvanteudbytte og linjebredder omkring 100 meV.”

Potentielle anvendelser af infrarøde kvanteprikker 

Den unikke størrelse af små kvanteprikker, kombineret med deres justerbare elektroniske egenskaber, gør QD’er meget attraktive for nye teknologier og en række anvendelser.

På grund af deres evne til at udsende et regnbuespektrum af lyse og rene farver, samt deres høje ekstinktionskoefficient og høje effektivitet, er kvanteprikker særligt betydningsfulde for optiske anvendelser, såsom LED‑lys, displays og fotovoltaik. Når de anvendes i udviklingen af avancerede skærme, forbedrer teknologien farvenøjagtighed og lysstyrke.

Sikkerhed og overvågning er en anden sektor, hvor de kan forbedre natvisionsevnen og hjælpe med at identificere personer eller objekter i mørke eller slørede omgivelser. I bilindustrien kan dette hjælpe med at forbedre førerassistentsystemer og øge sikkerheden ved natkørsel. De kan også opdage forurenende stoffer i miljøet og forurening i vandkilder.

På grund af kvanteprikkernes lille størrelse, som også betyder en skarpere tilstandstæthe d end højere-dimensionale strukturer, behøver elektronerne ikke at rejse langt, hvilket giver elektroniske enheder, der kan operere hurtigere. Disse unikke elektroniske egenskaber er især nyttige for solceller, transistorer, kvantecomputing og ultrahurtige all‑optiske switches og logikporte.

Den lille størrelse af QD’er gør dem også velegnede til forskellige biomedicinske anvendelser såsom biosensorer og medicinsk billeddannelse. I modsætning til fluorescens‑baserede biosensorer kan dem baseret på kvanteprikker udsende et helt spektrum af lysere lys med minimal nedbrydning over tid. Dette gør dem virkelig gavnlige i biomedicinske anvendelser.

Ifølge forskningen kan de nye materialer, kviksølv‑selenid (HgSe) og kviksølv‑cadmium‑selenid (HgCdSe) nanokrystaller, føre til næste generations billedteknikker.

Infrarøde kvanteprikker kan revolutionere flere industrier ved at muliggøre udviklingen af næste generations billedteknikker. For eksempel kan infrarøde kvanteprikker i medicinsk billeddannelse bruges til tidlig påvisning af tumorer og kræftceller, hjælpe med ikke‑invasiv billeddannelse af væv og organer med klarere og mere detaljerede billeder, samt anvendes under operationer for at forbedre præcision og resultater.

Inden for sundhedssektoren kan infrarøde kvanteprikker yderligere bruges til celle‑sporing, visualisering og undersøgelse af molekylers adfærd inden i celler. Som forskningen påpegede, kan den mest betydningsfulde anvendelse af infrarøde kvanteprikker være som molekylære prober.

De fleste kvanteprikker udsender i det synlige spektrum, hvilket kun muliggør overflade‑detektion. Infrarødt lys vil dog tillade, at dybere væv kan undersøges. På denne måde gør kvanteprikker, der udsender i infrarødt, det muligt for forskere at se næsten helt igennem, f.eks. en levende rotte, som bruges som standardmodel for de fleste sygdomme, og identificere placeringen af specifikke molekyler i hele kroppen uden at ofre musene.

Alle disse anvendelser betyder en bedre forståelse af biologiske processer, den menneskelige krop og sygdomsmekanismer, og dermed bedre og mere personlige løsninger og pleje. 

Ud over alt dette kan infrarød billeddannelse med kvanteprikker også bruges til at analysere materialer og komponenter, sikre produktkvalitet i fremstillingen, forbedre opløsningen af teleskoper og assistere i navigation og drift af rumfartøjer.

Fremtrædende virksomheder, der arbejder med billedteknikker og infrarøde kvanteprikker

Lad os nu se på de virksomheder, der er i front med at fremme billedteknikker og arbejde med kvanteprikker:

#1. QD Vision

Dette firma er kendt for sin kvanteprik‑teknologi, især inden for display‑ og billedapplikationer. Medstiftet af Moungi Bawendi for et årti siden, har virksomheden arbejdet på at kommercialisere QD’er gennem Color IQ.

I 2016 købte Samsung Electronics erhvervede QD Vision’s IP for 70 million $, hvilket omfattede hundredvis af patenter. Med dette strategiske skridt var målet at støtte virksomhedens langsigtede vision for deres display, TV og eventuelt andre forretningsområder. På det tidspunkt sagde Samsung, at QD Vision’s IP ville blive en del af det koreanske selskabs F&U‑indsats for at udvikle avancerede implementeringer af QD‑TV’er. Samsungs QLED‑displays lover enestående farveydelse og exceptionel billedkvalitet, “åbner en ny strøm af muligheder for fremtiden”.

I første kvartal 2024 rapporterede Samsung en stigning på 933 % i driftsresultatet sammenlignet med 1Q23. Teknologigiganten forventer en 15‑fold stigning i driftsresultatet i 2Q24, drevet af halvlederpriser takket være AI‑boomet. På trods af dette handles Samsung‑aktier (SMSN) til $1.581, kun op 5,54 % år‑til‑dato. Virksomheden betaler et udbytte på 1,69 %.

#2. Nanoco Group

Noteret på London Stock Exchange under NANO‑tickeret, specialiserer Nanoco sig i udvikling og fremstilling af kvanteprikker og andre nanomaterialer. Handlet til $0,1949, er aktierne faldet 12,38 % år‑til‑dato, med en EPS (TTM) på 0,06 og en P/E (TTM) på 3,32.

Virksomheden har for nylig tilbagekøbt 330.133 af sine almindelige aktier, som vil blive annulleret for at efterlade 205.038.038 almindelige aktier i udstedelse, et skridt foretaget for at øge aktionærværdien. Under 2Q24‑resultatopkaldet talte CEO Brian Tenner om, at Nanoco modtog og opfyldte to kommercielle produktionsordrer. Selvom det er lavvolumenordrer, betyder det, at Nanoco faktisk er i overgang til en reel produktionsvirksomhed og “forventer, at efterspørgslen og volumen… vil stige over tid.” Virksomheden underskrev også to fællesudviklingsaftaler med globale kunder, der involverer to forskellige anden‑generations nanomaterialer til brug i infrarød sensing.

Nanocos kerne‑teknologi involverer CFQD®‑kvanteprikker, som består af fluorescerende halvleder‑nanopartikler, og HEATWAVETM‑kvanteprikker, som er specielt designet til brug i sensorindustrien. Mens de førstnævnte har anvendelser i OLED‑farvekonversion, μLED‑farvekonversion og optisk sikkerhedsmærkning, er den sidstnævnte teknologi til biometrisk ansigtsgenkendelse, optisk diagnostik, natvision, afstandsmåling og LiDAR‑applikationer.

Afsluttende tanker 

Som vi har set, lover kvanteprik‑teknologi betydelige fremskridt på tværs af industrier. Forskere udforsker i øjeblikket yderligere QD’er, såsom infrarøde kvanteprikker, som har unikke anvendelser, især inden for biologisk billeddannelse. Efterhånden som efterspørgslen efter QD’er fortsætter med at vokse, og deres markedsstørrelse øges, vil vi se endnu flere fremskridt inden for kvanteprik‑feltet, som har evnen til at revolutionere medicin, energi, sensorer og forbrugerelektronik.