Entwicklung von Next‑Gen‑Bildgebungstechniken mit Infrarot‑Quantenpunkten

Quantum‑Dot‑Technologie (QD) verändert die Beleuchtungs‑ und Display‑Industrien. Ein häufig diskutiertes Thema in der Nanotechnologie und Materialwissenschaft, diese Halbleiter‑Nanokristalle sind wirklich winzige Halbleiter‑Partikel, nur wenige Nanometer groß. 

Ihre elektronischen und optischen Eigenschaften liegen zwischen massiven einzelnen Atomen und Halbleitern. Diese Eigenschaften hängen tatsächlich sowohl von der Größe als auch von der Form dieser QDs ab. Zum Beispiel emittieren größere Quantenpunkte mit einer Größe von 5–6 nm längere Wellenlängen im Vergleich zu den kürzeren Wellenlängen, die von kleineren QDs mit einer Größe von 2–3 nm ausgestrahlt werden. Außerdem erzeugen die erstgenannten QDs orange‑ oder rote Farben, während die letzteren blau und grün erzeugen. Die Spezifität dieser Farben hängt jedoch von der Zusammensetzung der Quantenpunkte ab.

QDs sind nanoskalige Halbleitermaterialien mit stark eingeschränkten Elektronen oder Elektronenlöchern, ähnlich einem 3‑D‑Teilchen‑im‑Kasten‑Modell. Durch die Kopplung von zwei oder mehr dieser QDs kann auch ein künstliches Molekül erzeugt werden. Gleichzeitig kann das präzise Zusammenbauen von ihnen Supergitter bilden, die als künstliche Festkörpermaterialien fungieren, deren einzigartige optische und elektronische Eigenschaften kontrolliert werden können. 

Erst im letzten Jahr wurden Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov und Louis E. Brus mit dem Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Entwicklung von Quantenpunkten ausgezeichnet. Allerdings sind QDs nicht so jung wie die Technologie. Sie wurden bereits vor vielen Jahrzehnten, 1980, entdeckt, und seit Jahren werden QDs in LCDs als entfernte Phosphoren eingesetzt.

Die potenziellen Anwendungen von Quantenpunkten beschränken sich nicht nur auf Displays. Sie erstrecken sich außerdem auf LEDs, Laser, Solarzellen, Einzelphotonen‑Quellen, Einzel‑Elektron‑Transistoren, Mikroskopie, Bioimaging, Zellbiologieforschung und die Katalyse chemischer Reaktionen. 

Angetrieben durch die steigende Nachfrage nach energieeffizienten Beleuchtungslösungen und hochwertigen Displaygeräten in verschiedenen Branchen, wird der QD‑Markt voraussichtlich in den kommenden Jahren ein beeindruckendes Wachstum mit einer CAGR von 17,40 % verzeichnen. Die globale Marktgröße von QDs wird voraussichtlich bis zum Ende dieses Jahrzehnts 12,34 Mrd. $ erreichen. 

Angesichts ihrer breiten Anwendung und des erwarteten Marktwachstums sind Quantenpunkte Gegenstand umfangreicher Forschung und Experimente. Allerdings konzentrierte sich dies hauptsächlich auf das sichtbare Spektrum. Das bedeutet, dass noch viel über die Technologie im Ultraviolett‑ und Infrarot‑Bereich zu entdecken ist. 

Infrarottechnologie hat viele Anwendungsfälle, sodass ein wachsender Bedarf an kostengünstigen, leicht zu entwickelnden und einfach zu nutzenden optoelektronischen Materialien besteht, die abstimmbar und infrarot‑aktiv sind. Dies hat zur Entwicklung von Infrarot‑Quantenpunkten geführt. Aufgrund des Quanten‑Konfinierungseffekts können die Bandlücken von Infrarot‑Quantenpunkten jederzeit einfach durch dimensionsbezogene Beschränkungen abgestimmt werden.

Fortschritte bei der Entwicklung von Infrarot‑Quantenpunkten als Infrarot‑Absorber, etwa in Solar‑Kraftstoffen und Photovoltaik, sowie als Infrarot‑Lichtemitter, zum Beispiel in der biologischen Bildgebung und bei Leuchtdioden, erleichtern die Implementierung von QDs in aufkommende Anwendungen.

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Entwicklung hochwertiger Nanokristalle

Jetzt haben Andrew Smith, ein Bioingenieur‑Professor an der University of Illinois at Urbana‑Champaign, und der Post‑Doc‑Forscher Wonseok Lee neue hochwertige Nanokristall‑Produkte entwickelt.

Veröffentlicht in Nature Synthesis und gefördert vom National Institutes of Health und der National Science Foundation, war die Forschung das erste Beispiel dafür, dass Infrarot‑QDs denselben hohen Standards entsprechen wie solche im sichtbaren Lichtspektrum.

Selbst nach fast einem halben Jahrhundert der Existenz der Nanokristall‑Technologie haben wir nur Fortschritte bei Nanokristallen gesehen, die im sichtbaren Teil des Spektrums arbeiten. Das ist verständlich, da sie ein „großer Teil von Display‑Geräten“ sind.

Wie Smith teilte, besteht der wichtigste Teil jeder Technologie darin, Licht zu emittieren oder zu absorbieren. Daher lag der Fokus darauf, eine Technologie zu entwickeln, die den größten heutigen Markt bedient.

Doch das ist nicht alles. Neben den Nanokristallen des sichtbaren Spektrums, die eine viel höhere Nachfrage haben, ist die Chemie der im Infrarot‑Bereich verwendeten Materialien ebenfalls schwieriger. Dies umfasst niedrigere Energie und längere Wellenlängen als Licht im sichtbaren Spektrum.

Jetzt erfordert die Erzeugung von Lichtemission und -absorption im Infrarotbereich schwerere Elemente, deren Chemie schwierig ist. Das bedeutet weniger vorhersehbare Reaktionen und mehr unerwünschte Nebenreaktionen.

Das ist noch nicht das Ende. Diese schwereren Elemente neigen zudem stärker zu Degradation. Sie sind sogar anfällig für Umgebungsänderungen, wie zum Beispiel Wasser.

Bei Quantenpunkt‑Nanokristallen können sie aus elementaren Halbleitern wie Silizium hergestellt werden, oder sie können aus zwei Elementen (binär) oder drei Elementen (ternär) bestehen. Durch das Mischen von zwei Elementen zusammen können verschiedene Eigenschaften erzielt werden, und durch die Kombination von drei können noch mehr Eigenschaften erreicht werden.

An der Spitzeninstitution des University of Illinois‑Systems konzentrierten sich die Forscher auf nur ein einziges Element, das ihrer Meinung nach das „perfekte“ Material zum Herstellen sein könnte. Das Material ist Quecksilber‑Cadmium‑Selenid. Laut Smith:

„Man kann im Grunde jede gewünschte Eigenschaft erhalten, indem man das Verhältnis von Cadmium‑ und Quecksilber‑Atomen ändert. Es kann diesen riesigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken – vom gesamten Infrarot bis zum gesamten sichtbaren Spektrum – und so viele Eigenschaften besitzen.“

Nutzung der bereits entwickelten QDs 

Die Entwicklung hochwertiger Infrarot‑Quantenpunkte ist tatsächlich seit Jahren in Arbeit. Seit langem versucht die Forschungsgemeinschaft, dies zu erreichen, wobei Smith selbst seit seiner Promotion beteiligt ist. Aber bisher waren keine der Bemühungen erfolgreich.

Schließlich konnten die Forscher der University of Illinois ein neues Material herstellen. Sie erreichten dies, indem sie etwas nutzten, das bereits perfektioniert war. Sie nahmen also das, was als der am weitesten entwickelte Quantenpunkt gilt, und verwendeten es als das, was Smith ein „Opfer‑Mold“ nannte.

Cadmiumselenid (CdSe) ist eine anorganische Verbindung, die als II‑VI‑Halbleiter vom n‑Typ klassifiziert wird. Es ist transparent für Infrarot‑(IR‑)Licht und hochlumineszent, wurde jedoch nur begrenzt in Fotowiderständen eingesetzt.

Wie die Forschung feststellte, wurden CdSe‑basierte kolloidale Halbleiter‑Nanokristalle präzise für photonische Anwendungen im sichtbaren Spektrum optimiert. Moderne Produkte zeigen tatsächlich strukturelle Uniformität mit nahezu hundert Prozent quantenertrag.

Jetzt nahm das Team Cadmiumselenid und ersetzte die Cadmium‑(Cd‑)Atome durch Quecksilber‑(Hg‑)Atome. Sofort änderte sich alles in das Infrarot‑Spektrum, während alle gewünschten Eigenschaften erhalten blieben, einschließlich starker Lichtemission und starker Lichtabsorption.

Um dies zu erreichen, mussten die Forscher den herkömmlichen Weg zur Synthese von Nanokristallen verwerfen. Die traditionelle Methode beinhaltet zunächst das Mischen der Vorläufer‑Elemente, und dann zerfallen sie unter den richtigen Bedingungen in die gewünschte Nanokristallstruktur.

Allerdings wurden keine Bedingungen gefunden, die für Selenid, Quecksilber und Cadmium funktionieren. Daher entwickelte der Post‑Doc‑Forscher Lee eine neue Methode namens interdiffusionsverstärkter Kationenaustausch.

In diesem Prozess fügte das Team Silber als viertes Element hinzu, das dem Material Fehler einbringt. Dies, sagte Smith, ließ „alles homogen zusammenmischen. Und das löste das gesamte Problem.“

Am Ende entwickelte das Team Quecksilber‑Selenid (HgSe) und Quecksilber‑Cadmium‑Selenid (HgCdSe) Nanokristalle, die im Infrarot‑Spektrum emittieren und absorbieren. Aus den bereits gut entwickelten CdSe‑Vorläufern des sichtbaren Spektrums hergestellt, behielten die neuen Materialien die gewünschten Attribute, einschließlich Form, Größe und Uniformität der Cadmium‑Selenid‑Nanokristalle, während sie eine verbesserte Absorption aufwiesen.

Diese homogenen Nanokristalle, HgSe und HgxCd1−xSe‑Legierungen, besitzen ebenfalls abstimmbare Bandlücken im Infrarot‑Spektrum. Laut Forschung: „Nach Passivierung mit heteroepitaxialen CdZnS‑Schalen sind die Photolumineszenz‑Wellenlängen im Kurzwell‑Infrarot durch die Zusammensetzung ohne Größenänderung abstimmbar, mit einem quantenertrag von 80–91 % und Linienbreiten von etwa 100 meV.“

Potenzielle Anwendungen von Infrarot‑Quantenpunkten 

Die einzigartige Größe kleiner Quantenpunkte, kombiniert mit ihren abstimmbaren elektronischen Eigenschaften, macht QDs sehr attraktiv für neue Technologien und eine Vielzahl von Anwendungen.

Aufgrund ihrer Fähigkeit, ein Regenbogenheller und reiner Farben zu emittieren, sowie ihres hohen Extinktionskoeffizienten und hoher Effizienzen, sind Quantenpunkte besonders bedeutend für optische Anwendungen, wie LED‑Lampen, Displays und Photovoltaik. Beim Einsatz in der Entwicklung fortschrittlicher Bildschirme verbessert die Technologie die Farbgenauigkeit und Helligkeit.

Sicherheit und Überwachung ist ein weiterer Sektor, in dem sie die Nachtsichtfähigkeiten verbessern und helfen können, Personen oder Objekte in dunklen oder verdeckten Umgebungen zu identifizieren. In der Automobilindustrie kann dies die Fahrerassistenzsysteme verbessern und die Sicherheit beim Nachtfahren erhöhen. Sie können zudem Schadstoffe in der Umwelt und Verunreinigungen in Wasserquellen erkennen.

Aufgrund der geringen Größe von Quantenpunkten, die auch eine schärfere Zustandsdichte im Vergleich zu höherdimensionalen Strukturen bedeutet, müssen Elektronen nicht weit reisen, was zu elektronischen Geräten führt, die schneller arbeiten können. Diese einzigartigen elektronischen Eigenschaften sind besonders nützlich für Solarzellen, Transistoren, Quantencomputing und ultraschnelle all‑optische Schalter und Logikgatter.

Die geringe Größe von QDs macht sie auch für verschiedene biomedizinische Anwendungen wie Biosensoren und medizinische Bildgebung geeignet. Im Gegensatz zu fluoreszenzbasierten Biosensoren können solche, die auf Quantenpunkten basieren, ein ganzes Spektrum hellerer Lichter emittieren und dabei nur wenig Degradation über die Zeit aufweisen. Das macht sie in biomedizinischen Anwendungen wirklich vorteilhaft.

Laut der Forschung könnten die neuen Materialien, Quecksilber‑Selenid (HgSe) und Quecksilber‑Cadmium‑Selenid (HgCdSe) Nanokristalle, zu Bildgebungstechniken der nächsten Generation führen.

Infrarot‑Quantenpunkte können mehrere Branchen revolutionieren, indem sie die Entwicklung von Bildgebungstechniken der nächsten Generation ermöglichen. Zum Beispiel können sie in der medizinischen Bildgebung verwendet werden, um Tumore und Krebszellen frühzeitig zu erkennen, nicht‑invasive Bildgebung von Geweben und Organen mit klareren und detaillierteren Bildern zu unterstützen und während Operationen eingesetzt werden, um Präzision und Ergebnisse zu verbessern.

Im Gesundheitssektor können Infrarot‑Quantenpunkte zudem für das Tracking von Zellen, die Visualisierung und das Studium des Verhaltens von Molekülen innerhalb von Zellen verwendet werden. Wie die Forschung hervorhob, könnte die bedeutendste Anwendung von Infrarot‑Quantenpunkten für molekulare Sonden sein.

Die meisten Quantenpunkte emittieren im sichtbaren Spektrum, was nur Oberflächendetektion ermöglicht. Infrarotlicht hingegen erlaubt das Abtasten tieferer Gewebe. Auf diese Weise ermöglichen Quantenpunkte, die im Infrarot emittieren, Forschern, fast vollständig durch ein lebendes Nagetier zu sehen – ein gängiges Modell für die meisten Krankheiten – und die Positionen spezifischer Moleküle im gesamten Körper zu identifizieren, ohne die Tiere zu opfern.

All diese Anwendungen bedeuten ein besseres Verständnis biologischer Prozesse, des menschlichen Körpers und von Krankheitsmechanismen und führen wiederum zu besseren und individuelleren Lösungen und Pflege.

Zusätzlich zu all dem kann die Infrarot‑Bildgebung mit Quantenpunkten auch zur Analyse von Materialien und Komponenten eingesetzt werden, die Produktqualität in der Fertigung sicherstellen, die Auflösung von Teleskopen verbessern und bei der Navigation und dem Betrieb von Raumfahrzeugen unterstützen.

Bedeutende Unternehmen, die an Bildgebungstechniken und Infrarot‑Quantenpunkten arbeiten

Werfen wir nun einen Blick auf die Unternehmen, die an der Spitze der Weiterentwicklung von Bildgebungstechniken und der Arbeit mit Quantenpunkten stehen:

#1. QD Vision

Dieses Unternehmen ist für seine Quantenpunkt‑Technologie bekannt, insbesondere in Anzeige‑ und Bildgebungsanwendungen. Vor einem Jahrzehnt von Moungi Bawendi mitbegründet, arbeitet das Unternehmen an der Kommerzialisierung von QDs über Color IQ.

Im Jahr 2016 Samsung Electronics erwarb das IP von QD Vision für 70 Millionen $, das Hunderte von Patenten umfasste. Mit diesem strategischen Schritt sollte die langfristige Vision des Unternehmens für seine Display‑, TV‑ und möglicherweise weitere Geschäftsbereiche unterstützt werden. Zu diesem Zeitpunkt erklärte Samsung, dass das IP von QD Vision Teil der F&E‑Bemühungen des in Korea ansässigen Unternehmens werden würde, um fortschrittliche Implementierungen von QD‑TVs zu entwickeln. Samsungs QLED‑Displays versprechen unvergleichliche Farbleistung und außergewöhnliche Bildqualität und „öffnen einen neuen Strom von Möglichkeiten für die Zukunft“.

Im ersten Quartal 2024 meldete Samsung einen Anstieg des operativen Gewinns um 933 % im Vergleich zu Q1 2023. Der Technologieriese erwartet im zweiten Quartal 2024 einen 15‑fachen Anstieg des operativen Gewinns, getrieben durch Halbleiterpreise dank des KI‑Booms. Trotz alledem werden Samsung‑Aktien (SMSN) zu 1.581 $ gehandelt, nur um 5,54 % im Jahresverlauf gestiegen. Das Unternehmen zahlt eine Dividendenrendite von 1,69 %.

#2. Nanoco Group

An der London Stock Exchange unter dem Ticker NANO notiert, spezialisiert sich Nanoco auf die Entwicklung und Herstellung von Quantenpunkten und anderen Nanomaterialien. Die Aktien werden zu 0,1949 $ gehandelt und sind im Jahresverlauf um 12,38 % gefallen, mit einem EPS (TTM) von 0,06 und einem KGV (TTM) von 3,32.

Das Unternehmen hat kürzlich 330 133 seiner Stammaktien zurückgekauft, die annulliert werden sollen, sodass 205 038 038 Stammaktien im Umlauf bleiben – ein Schritt zur Steigerung des Shareholder‑Value. Während der Ergebnispräsentation für das 2. Quartal 2024 sprach CEO Brian Tenner darüber, dass Nanoco zwei kommerzielle Produktionsaufträge erhalten und erfüllt hat. Obwohl es sich um Aufträge mit geringem Volumen handelt, bedeutet dies, dass Nanoco tatsächlich zu einem echten Produktionsunternehmen wird und „erwartet, dass die Nachfrage und das Volumen im Laufe der Zeit steigen werden.“ Das Unternehmen unterzeichnete außerdem zwei Joint‑Development‑Vereinbarungen mit globalen Kunden, die zwei verschiedene Nanomaterialien der zweiten Generation für den Einsatz in Infrarot‑Sensorik betreffen.

Die Kerntechnologie von Nanoco umfasst CFQD®‑Quantenpunkte, die aus fluoreszierenden Halbleiter‑Nanopartikeln bestehen, sowie HEATWAVETM‑Quantenpunkte, die speziell für die Sensorindustrie entwickelt wurden. Während erstere Anwendungen in OLED‑Farbkonversion, μLED‑Farbkonversion und optischer Sicherheitskennzeichnung finden, dient die letztere Technologie der biometrischen Gesichtserkennung, optischen Diagnostik, Nachtsicht, Entfernungsbestimmung und LiDAR‑Anwendungen.

Abschließende Gedanken 

Wie wir gesehen haben, verspricht die Quantenpunkt‑Technologie bedeutende Fortschritte in verschiedenen Branchen. Forscher untersuchen derzeit weiter QDs, wie Infrarot‑Quantenpunkte, die einzigartige Anwendungen haben, insbesondere in der biologischen Bildgebung. Da die Nachfrage nach QDs weiter wächst und ihre Marktgröße zunimmt, werden wir noch mehr Fortschritte im Bereich der Quantenpunkte sehen, die das Potenzial haben, Medizin, Energie, Sensoren und Konsumelektronik zu revolutionieren.