Seuraavan sukupolven kuvantamistekniikoiden rakentaminen infrapuna-quantum-dotseilla

Quantum dot (QD) -teknologia muuttaa valaistus- ja näyttöalan. Suosittu keskustelunaihe nanoteknologiassa ja materiaalitieteessä, nämä puolijohde-nanokiteet ovat todella pieniä puolijohdehiukkasia, vain muutaman nanometrin kokoisia. 

Niiden elektroniset ja optiset ominaisuudet sijoittuvat massiivisten erillisten atomien ja puolijohteiden väliin. Nämä ominaisuudet riippuvat sekä QD:iden koosta että muodosta. Esimerkiksi suuremmat, 5–6 nm kokoiset quantum dotit säteilevät pidempiä aallonpituuksia verrattuna pienempiin, 2–3 nm kokoisiin QD:eihin, jotka säteilevät lyhyempiä aallonpituuksia. Lisäksi suuremmat QD:t tuottavat oranssia tai punaista väriä, kun taas pienemmät sinistä ja vihreää. Näiden värien erityispiirteet kuitenkin riippuvat quantum dotien koostumuksesta. 

QDt ovat nanoskaalaista puolijohdemateriaalia, jossa elektronit tai elektronireiät ovat tiukasti rajoitettuja, aivan kuin 3D‑hiukkaslaatikkomalli. Kytkemällä kaksi tai useampia näitä QD:eja, voidaan myös luoda keinotekoinen molekyyli. Samaan aikaan tarkka kokoaminen voi muodostaa superverkkoja, jotka toimivat keinotekoisina kiinteän aineen materiaaleina, joiden ainutlaatuisia optisia ja elektronisia ominaisuuksia voidaan hallita. 

Vain viime vuonna Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov ja Louis E. Brus saivat Nobel-palkinnon kemiassa quantum dotien löytämisestä ja kehittämisestä. Kuitenkin QD:t eivät ole yhtä nuoria kuin teknologia. Ne löydettiin ensimmäisen kerran vuosikymmeniä sitten, vuonna 1980, ja on kulunut vuosia, kun QD:t ovat olleet käytössä LCD-näytöissä kaukophosforeina.

Quantum dotien potentiaalinen sovellus ei rajoitu pelkästään näyttöihin,  vaan myös. Ne laajenevat LED:eihin, lasereihin, aurinkokennoihin, yksifotonilähteisiin, yksielektronitransistoreihin, mikroskopiaan, bio-kuvantamiseen, solubiologian tutkimukseen ja kemiallisten reaktioiden katalyysiin. 

Kasvavan energiatehokkaiden valaistusratkaisujen ja korkealaatuisten näyttölaitteiden kysynnän ohjaamana eri toimialoilla, QD-markkinan odotetaan kasvavan vaikuttavasti 17,40 %:n CAGR:lla tulevina vuosina. QD:n globaalin markkinakoon odotetaan nousevan 12,34 miljardiin dollariin ennen tämän vuosikymmenen loppua. 

Koska niiden laaja soveltaminen ja odotettu markkinakoon kasvu, quantum dotit ovat olleet paljon tutkimuksen ja kokeilun kohteena. Kuitenkin tämä on pääasiassa näkyvässä spektrissä. Tämä tarkoittaa, että paljon on vielä löydettävänä teknologian ultraviolettisessa ja infrapuna-alueilla.

Infrapunateknologia on monia käyttötapauksia, joten kustannustehokkaiden, helppokehittävien ja helppokäyttöisten optoelektronisten materiaalien, jotka ovat säädettävissä ja infrapuna-aktiivisia, tarve kasvaa. Tämä on johtanut infrapuna-quantum-dotsien kehittämiseen. Kvanttikonfinaatioefektin vuoksi infrapuna-quantum-dotsien energiaraot voidaan säätää tarpeen mukaan pelkästään dimensiota rajoittamalla.

Edistyminen infrapuna-quantum-dotsien kehittämisessä infrapuna-absorboijina, kuten aurinkopolttoaineissa ja fotovoltaikassa, sekä infrapuna-valonlähettäjinä, kuten biologisessa kuvantamisessa ja valoa emittoivissa diodeissa, on edistämässä QD:iden käyttöönottoa nouseviin sovelluksiin.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä johtavasta nanoteknologian kehittämiseen keskittyvästä yrityksestä. 

Korkealaatuisten nanokiteiden kehittäminen

Nyt Andrew Smith, bioinsinöörin professori Illinoisin yliopistossa Urbana-Champaignissa, ja postdoc-tutkija Wonseok Lee ovat kehittäneet uusia korkealaatuisia nanokiteetuotteita.

Julkaistu Nature Synthesis -lehdessä ja rahoitettu National Institutes of Healthin ja National Science Foundationin toimesta, tutkimus oli ensimmäinen tapaus, jossa infrapuna-QD:t täyttivät samat korkeat standardit kuin näkyvän valon spektrin QD:t.

Vaikka nanokite-teknologia on ollut olemassa lähes puoli vuosisataa, olemme nähneet vain edistystä nanokiteissä, jotka toimivat näkyvän spektrin osassa. Tämä on järkevää, kun otetaan huomioon, että ne ovat “suuri osa näyttölaitteita.”

Smithin mukaan suurin osa mistä tahansa teknologiasta on valon lähettäminen tai absorptio. Siksi fokus on ollut teknologian kehittämisessä, jonka markkinat ovat tänään suurimmat. 

Mutta se ei ole kaikki. Näkyvän spektrin nanokiteiden korkeamman kysynnän lisäksi myös infrapunan materiaalien kemia on vaikeampaa. Tämä sisältää alhaisempaa energiaa ja pidempiä aallonpituuksia kuin näkyvän spektrin valo. 

Nyt valon lähettämisen ja absorptio infrapunaspektrissä vaatii raskaampia alkuaineita, joiden kemia on vaikeaa. Tämä tarkoittaa vähemmän ennustettavia reaktioita ja enemmän ei-toivottuja sivureaktioita. 

Tämä ei ole edes loppu. Nämä raskaammat alkuaineet ovat alttiimpia myös hajoamiselle. Ne ovat herkempiä ympäristön muutoksille, kuten vedelle.

Kun kyseessä ovat quantum dot -nanokiteet, ne voivat valmistua alkuaineen puolijohteista, kuten piistä, tai ne voivat valmistua kahdesta alkuaineesta (binaarinen) tai kolmesta alkuaineesta (ternäärinen). Sekomalla kaksi alkuainetta yhdessä, saadaan useita erilaisia ominaisuuksia, ja yhdistämällä kolme, saadaan vielä enemmän ominaisuuksia.

Illinoisin yliopistojärjestelmän lippulaivainstituutiossa tutkijat keskittyivät yhteen ainoaan alkuaineeseen, jonka he uskovat olevan ‘täydellinen’ materiaali valmistaa. Materiaali on elohopea-kadmium-seleniidi. Smithin mukaan:

“Voisit periaatteessa saada minkä tahansa ominaisuuden muuttamalla kadmium- ja elohopea-atomien suhdetta. Se kattaa tämän valtavan alueen sähkömagneettisessa spektrissä—koko infrapuna-alueelta koko näkyvän spektriin—ja tarjoaa niin monia ominaisuuksia.”

Hyödyntäen jo kehitettyjä QD 

Korkealaatuisten infrapuna-quantum-dotsien kehittäminen on oikeastaan ollut vuosien prosessi. Pitkään tutkimusyhteisö on yrittänyt saavuttaa tämän, Smith itse mukana jo tohtorikoulutuksesta lähtien. Mutta mikään ponnistus ei ole ollut onnistunut tähän mennessä.

Lopulta Illinoisin yliopiston tutkijat pystyivät valmistamaan uuden materiaalin. He saavuttivat tämän ottamalla jotain, joka oli jo hiottu täydelliseksi. Joten he ottivat sen, mitä pidetään kaikkein kehittyneimpänä quantum dotina, ja hyödynsivät sitä Smithin kutsumana ‘uhrimallina’.

Kadmium-seleniidi (CdSe) on epäorgaaninen yhdiste, luokiteltu II-VI-tyyppiseksi n-tyypin puolijohteeksi. Se on läpinäkyvä infrapunasäteilylle (IR) ja erittäin luminescentti, mutta sen käyttö valoresistoreissa on ollut rajoitettua.

Kuten tutkimus totesi, CdSe-pohjaiset kolloidiset puolijohde-nanokiteet on tarkasti optimoitu fotoniikkasovelluksiin näkyvässä spektrissä. Nykyaikaiset tuotteet osoittavat rakenteellista yhtenäisyyttä lähes sadan prosentin kvanttihyötysuhteella. 

Nyt tiimi otti kadmium-seleniidin ja korvasi kadmium (Cd) atomit elohopea (Hg) atomeilla. Heti tämä muutti kaiken infrapunaspektriin säilyttäen kaikki halutut ominaisuudet, mukaan lukien vahvan valonlähetyksen ja vahvan valonabsorptio.

Saavuttaakseen tämän, tutkijoiden täytyi hylätä perinteinen tapa nanokiteiden synteesiin. Perinteinen menetelmä sisältää ensin esiasteiden sekoittamisen, ja sitten, oikeissa olosuhteissa, ne hajoavat haluttuun nanokiteiden rakenteeseen. 

Kuitenkin ei ole löydetty olosuhteita, jotka toimisivat seleniidin, elohopean ja kadmiumin kanssa. Joten postdoc-tutkija Lee kehitti uuden menetelmän, jota kutsutaan interdiffuusio-tekemällä vahvistetuksi kationinvaihdoksi.

Tässä prosessissa tiimi lisäsi hopeaa neljänneksi alkuaineeksi, mikä tuo virheitä materiaaliin. Tämä, Smith sanoi, aiheutti “kaiken sekoittuvan yhdessä homogeenisesti. Ja se ratkaisi koko ongelman.”

Lopulta tiimi kehitti elohopea-seleniidi (HgSe) ja elohopea-kadmium-seleniidi (HgCdSe) nanokiteet, jotka lähettävät ja absorboivat infrapunaspektrissä. Nämä kehitettiin näkyvän spektrin CdSe-esiasteista, jotka ovat jo hyvin kehittyneitä; uudet materiaalit säilyttivät halutut ominaisuudet, kuten muodon, koon ja kadmium-seleniidi nanokiteiden yhtenäisyyden, samalla kun absorptio parani.

Nämä homogeeniset nanokiteet, HgSe ja HgxCd1−xSe seokset, omaavat myös säädettävät energiaraot infrapunaspektrissä. Tutkimuksen mukaan “passivoinnin jälkeen heteroepiteettisillä CdZnS-kuorilla, fotoluminesenssin aallonpituudet ovat säädettävissä lyhytaaltoisessa infrapunaspektrissä koostumuksen avulla ilman koon muutosta, 80–91 % kvanttihyötysuhteella ja viivanleveyksillä noin 100 meV.”.

Infrapuna-quantum-dotsien potentiaaliset sovellukset 

Pienten quantum dotien ainutlaatuinen koko, yhdistettynä niiden säädettäviin elektronisiin ominaisuuksiin, tekee QD:istä erittäin houkuttelevia uusille teknologioille ja monenlaisille sovelluksille. 

Kykyynsä lähettää kirkas ja puhdas värisateenkaani, korkea absorptio-kerroin ja korkea hyötysuhde tekevät quantum dotteista erityisen merkittäviä optisissa sovelluksissa, kuten LED-valoissa, näytöissä ja fotovoltaikassa. Kun niitä käytetään kehittyneiden näyttöruutujen kehittämisessä, teknologia parantaa väritarkkuutta ja kirkkautta.

Turvallisuus- ja valvontasektori on toinen alue, jossa ne voivat parantaa yövision kykyä ja auttaa tunnistamaan henkilöitä tai kohteita pimeissä tai hämärissä ympäristöissä. Autoteollisuudessa tämä voi parantaa kuljettajan avustusjärjestelmiä ja lisätä yöajon turvallisuutta. Ne voivat myös havaita ympäristön saasteita ja vesilähteiden kontaminaatioita.

Quantum dotien pieni koko, mikä tarkoittaa myös terävämpää tilatiheyttä kuin korkeamman ulottuvuuden rakenteissa, saa elektronit kulkemaan lyhyemmän matkan, mikä johtaa nopeampiin elektronisiin laitteisiin. Nämä ainutlaatuiset elektroniset ominaisuudet ovat erityisen hyödyllisiä aurinkokennoissa, transistoreissa, kvanttilaskennassa sekä erittäin nopeissa kaikki‑optisissa kytkimissä ja loogisissa porteissa.

QDt:n pieni koko tekee niistä myös sopivia erilaisiin biolääketieteellisiin sovelluksiin, kuten biosensoreihin ja lääketieteelliseen kuvantamiseen. Toisin kuin fluoresenssiin perustuvat biosensorit, quantum dot -pohjaiset sensorit voivat lähettää koko spektrin kirkkaampia valoja, ja ne kärsivät vähän heikkenemistä ajan myötä. Tämä tekee niistä erittäin hyödyllisiä biolääketieteellisissä sovelluksissa.

Tutkimuksen mukaan uudet materiaalit, elohopea-seleniidi (HgSe) ja elohopea-kadmium-seleniidi (HgCdSe) nanokiteet, voivat johtaa seuraavan sukupolven kuvantamistekniikoihin.

Infrapuna-quantum-dots voivat mullistaa useita teollisuudenaloja mahdollistamalla seuraavan sukupolven kuvantamistekniikoiden kehittämisen. Esimerkiksi lääketieteellisessä kuvantamisessa infrapuna-quantum-dots voidaan käyttää kasvainten ja syöpäsolujen varhaiseen havaitsemiseen, auttaa ei-invasiivisessa kudosten ja elinten kuvantamisessa selkeämmin ja yksityiskohtaisemmin, sekä käyttää leikkauksen aikana tarkkuuden ja tulosten parantamiseen.

Terveydenhuollossa infrapuna-quantum-dots voidaan edelleen käyttää solujen jäljittämiseen, visualisointiin ja molekyylien käyttäytymisen tutkimiseen solujen sisällä. Kuten tutkimus totesi, merkittävin infrapuna-quantum-dotsien käyttö voisi olla molekyyliprobei.

Useimmat quantum dotit emittoivat näkyvässä spektrissä, mikä mahdollistaa vain pinnan havaitsemisen. Kuitenkin infrapunasäteily mahdollistaa syvempien kudosten tutkimisen. Tällä tavalla infrapuna-emittoivat quantum dotit antavat tutkijoille mahdollisuuden nähdä lähes kokonaan läpi esimerkiksi elävän jyrsijän, jota käytetään standardimallina useimmille sairauksille, ja tunnistaa tiettyjen molekyylien sijainnit koko kehossa uhraamatta hiiriä.

Kaikki nämä käyttötavat tarkoittavat parempaa ymmärrystä biologisista prosesseista, ihmiskehosta ja tautimekanismeista, ja siten parempia ja henkilökohtaisempia ratkaisuja ja hoitoa. 

Kaiken tämän lisäksi infrapuna-kuvantamista quantum dotien avulla voidaan käyttää materiaalien ja komponenttien analysointiin, varmistaa tuotelaadun valmistuksessa, parantaa teleskooppien tarkkuutta ja avustaa avaruusalusten navigoinnissa ja toiminnassa.

Merkittävät yritykset, jotka työskentelevät kuvantamistekniikoiden ja infrapuna-quantum-dotsien parissa

Katsotaanpa nyt yrityksiä, jotka ovat eturintamassa edistämässä kuvantamistekniikoita ja työskentelevät quantum dotien kanssa:

#1. QD Vision

Tämä yritys on tunnettu quantum dot -teknologiastaan, erityisesti näyttö- ja kuvantamis sovelluksissa. Kymmenen vuotta sitten Moungi Bawendin kanssa yhdessä perustettu, yritys on työskennellyt QD:iden kaupallistamisen parissa Color IQ:n kautta. 

Vuonna 2016 Samsung Electronics hankki QD Visionin IP:n 70 miljoonan dollarin hintaan, mikä sisälsi satoja patentteja. Tämän strategisen siirron tarkoituksena oli tukea yrityksen pitkän aikavälin visiota sen näytöistä, TV:stä ja mahdollisesti muista liiketoiminnoista. Tuolloin Samsung sanoi, että QD Visionin IP:stä tulisi osa Korea‑pohjaisen yrityksen T&K-pyrkimyksiä kehittää edistyneitä QD‑TV‑ratkaisuja. Samsungin QLED‑näytöt lupaavat vertaansa vailla olevaa väritarkkuutta ja poikkeuksellista kuvanlaatua, “avaten uuden mahdollisuuksien virtauksen tulevaisuudelle”.

Vuoden 2024 ensimmäisellä neljänneksellä Samsung raportoi 933 %:n kasvun liiketuloksessaan verrattuna 1Q23:een. Teknologiayritys odottaa 15‑kertaista nousua liiketuloksessa 2Q24:ssä, johtuen puolijohdehintojen noususta AI‑boomin ansiosta. Tästä huolimatta Samsungin osakkeet (SMSN) käyvät kaupassa 1 581 dollaria, vain 5,54 % nousua vuoden alusta. Yritys maksaa osinkotuoton 1,69 %.

#2. Nanoco Group

Listattuna Lontoon pörssissä NANO‑tunnuksella, Nanoco erikoistuu quantum dotien ja muiden nanomateriaalien kehittämiseen ja valmistukseen. Osakkeet käyvät 0,1949 dollaria, ja ne ovat laskeneet 12,38 % vuoden alusta, EPS (TTM) on 0,06 ja P/E (TTM) on 3,32.
https://www.youtube.com/watch?v=BstDUoIKfyA

Yritys on äskettäin ostanut takaisin 330 133 tavallista osaketta, jotka peruutetaan jättäen liikkeelle 205 038 038 tavallista osaketta, toimenpide, jonka tarkoituksena on lisätä osakkeenomistajien arvoa. 2Q24 tulospuhelun aikana toimitusjohtaja Brian Tenner kertoi, että Nanoco on vastaanottanut ja täyttänyt kaksi kaupallista tuotantotilausta. Vaikka tilaukset ovat pienivolyymisia, tämä tarkoittaa, että Nanoco on siirtymässä todelliseksi tuotantoyritykseksi ja “odottaa kysynnän ja volyymin… kasvavan ajan myötä.” Yritys on myös allekirjoittanut kaksi yhteistä kehityssopimusta globaalien asiakkaiden kanssa, jotka koskevat kahta erilaista toisen sukupolven nanomateriaalia infrapunasensorointiin.

Nanocon ydin teknologia sisältää CFQD® quantum dotit, jotka koostuvat fluoresoivista puolijohde‑nanohiukkasista ja HEATWAVETM quantum dotit, jotka on erityisesti suunniteltu sensoriteollisuutta varten. Vaikka ensimmäisellä on sovelluksia OLED‑värikonversiossa, μLED‑värikonversiossa ja optisessa turvatunnisteessa, jälkimmäinen teknologia on tarkoitettu biometriseen kasvojentunnistukseen, optisiin diagnostiikoihin, yönäköön, etäisyyden mittaukseen ja LiDAR‑sovelluksiin.

Lopulliset ajatukset 

Kuten näimme, quantum dot -teknologia lupaa merkittävää edistystä eri toimialoilla. Tutkijat tutkivat parhaillaan edelleen QD:eja, kuten infrapuna-quantum-dotsia, joilla on ainutlaatuisia sovelluksia, erityisesti biolääketieteellisessä kuvantamisessa. Kun QD:iden kysyntä jatkaa kasvuaan ja niiden markkinakoko laajenee, näemme yhä enemmän edistysaskeleita quantum dot -alalla, jotka pystyvät mullistamaan lääketieteen, energian, sensorit ja kulutuselektroniikan.