Membangun Teknik Pencitraan Generasi Berikutnya dengan Quantum Dot Inframerah

Teknologi quantum dot (QD) sedang mengubah industri pencahayaan dan tampilan. Sebagai topik pembicaraan populer dalam nanoteknologi dan ilmu material, nanokristal semikonduktor ini merupakan partikel semikonduktor yang sangat kecil, berukuran hanya beberapa nanometer.

Sifat elektronik dan optiknya berada di antara atom terpisah dalam jumlah besar dan semikonduktor. Sifat-sifat ini sebenarnya bergantung pada ukuran dan bentuk QD tersebut. Misalnya, quantum dot yang lebih besar dengan ukuran 5–6 nm memancarkan panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan dengan panjang gelombang yang lebih pendek yang dipancarkan oleh QD yang lebih kecil berukuran 2–3 nm. Selain itu, QD yang lebih besar menghasilkan warna oranye atau merah, sementara yang lebih kecil menghasilkan biru dan hijau. Spesifikasi warna tersebut, bagaimanapun, tergantung pada komposisi quantum dot.

QD adalah material semikonduktor skala nano dengan elektron atau lubang elektron yang sangat terkonfinasi, mirip dengan model partikel 3D dalam kotak. Dengan menggabungkan dua atau lebih QD ini, sebuah molekul buatan juga dapat dibuat. Sementara itu, perakitan yang tepat dapat membentuk superlattice yang berfungsi sebagai material padat buatan dengan sifat optik dan elektronik unik yang dapat dikendalikan.

Baru tahun lalu, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov, dan Louis E. Brus dianugerahi Nobel Kimia atas penemuan dan pengembangan quantum dot. Namun, QD tidaklah setua teknologi itu. Mereka pertama kali ditemukan beberapa dekade yang lalu, pada tahun 1980, dan telah bertahun‑tahun QD digunakan dalam LCD sebagai fosfor jarak jauh.

Aplikasi potensial quantum dot tidak terbatas pada tampilan saja. Mereka juga meluas ke LED, laser, sel surya, sumber foton tunggal, transistor satu elektron, mikroskopi, bioimaging, penelitian biologi sel, dan katalisis reaksi kimia.

Didorong oleh permintaan yang meningkat untuk solusi pencahayaan hemat energi dan perangkat tampilan berkualitas tinggi di berbagai industri, pasar QD diproyeksikan akan mengalami pertumbuhan mengesankan dengan CAGR sebesar 17,40% dalam beberapa tahun mendatang. Ukuran pasar global QD diproyeksikan mencapai $12,34 miliar sebelum akhir dekade ini.

Mengingat aplikasi mereka yang luas dan pertumbuhan ukuran pasar yang diharapkan, quantum dot telah menjadi subjek banyak penelitian dan percobaan. Namun, hal ini terutama terjadi pada spektrum tampak. Ini berarti masih banyak yang harus ditemukan tentang teknologi ini di wilayah ultraviolet dan inframerah.

Teknologi inframerah memiliki banyak kasus penggunaan, sehingga ada kebutuhan yang meningkat akan material optoelektronik yang biaya‑efektif, mudah dikembangkan, dan mudah digunakan, yang dapat disetel dan aktif di inframerah. Hal ini telah memicu pengembangan quantum dot inframerah. Karena efek pengurungan kuantum, celah pita quantum dot inframerah dapat disetel kapan saja diperlukan hanya melalui pembatasan dimensi.

Kemajuan dalam pengembangan quantum dot inframerah sebagai penyerap inframerah, seperti pada bahan bakar surya dan fotovoltaik, serta pemancar cahaya inframerah, seperti pada pencitraan biologis dan diode pemancar cahaya, memfasilitasi penerapan QD ke dalam aplikasi baru.

Klik di sini untuk daftar lima perusahaan teratas yang memimpin pengembangan nanoteknologi. 

Mengembangkan Nanokristal Berkualitas Tinggi

Sekarang, Andrew Smith, seorang profesor bioengineering di University of Illinois at Urbana‑Champaign, dan peneliti postdoktoral Wonseok Lee telah mengembangkan produk nanokristal berkualitas tinggi yang baru.

Diterbitkan di Nature Synthesis dan didanai oleh National Institutes of Health serta National Science Foundation, penelitian ini merupakan contoh pertama QD inframerah yang memiliki standar tinggi yang sama dengan yang ada di spektrum cahaya tampak.

Bahkan setelah hampir setengah abad keberadaan teknologi nanokristal, kita hanya melihat kemajuan pada nanokristal yang beroperasi di bagian spektrum tampak. Hal ini masuk akal, mengingat mereka merupakan “bagian besar dari perangkat tampilan.”

Seperti yang dibagikan Smith, bagian terbesar dari setiap teknologi adalah memancarkan atau menyerap cahaya. Jadi, fokus telah diarahkan pada pengembangan teknologi dengan pasar terbesar saat ini.

Namun itu bukan semuanya. Selain nanokristal spektrum tampak yang memiliki permintaan jauh lebih tinggi, kimia material yang digunakan di inframerah juga lebih sulit. Hal ini mencakup energi yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan cahaya di spektrum tampak.

Sekarang, mencapai pemancaran dan penyerapan cahaya di inframerah memerlukan elemen yang lebih berat dengan kimia yang sulit. Ini berarti reaksi yang kurang dapat diprediksi dan lebih banyak reaksi samping yang tidak diinginkan.

Ini bahkan belum akhir dari semuanya. Elemen yang lebih berat ini juga rentan terhadap degradasi. Mereka bahkan sensitif terhadap perubahan lingkungan sekitar, seperti air.

Ketika berbicara tentang nanokristal quantum dot, mereka dapat dibuat dari semikonduktor elemental, seperti silikon, atau dapat dibuat dari dua elemen (biner) atau tiga elemen (ternari). Dengan mencampur dua elemen bersama, beberapa sifat berbeda dapat dicapai, dan dengan menggabungkan tiga, bahkan lebih banyak sifat dapat diwujudkan.

Di institusi unggulan sistem University of Illinois, para peneliti fokus pada satu jenis elemen saja, yang mereka yakini dapat menjadi material ‘sempurna’ untuk dibuat. Material tersebut adalah merkuri kadmium selenida. Menurut Smith:

“Anda pada dasarnya dapat memperoleh sifat apa pun yang diinginkan dengan mengubah rasio atom kadmium dan merkuri. Ini dapat mencakup rentang luas spektrum elektromagnetik—dari seluruh inframerah hingga seluruh spektrum tampak—dan menghasilkan begitu banyak sifat.”

Memanfaatkan QD yang Sudah Dikembangkan 

Pengembangan quantum dot inframerah berkualitas tinggi sebenarnya telah bertahun‑tahun dalam proses. Selama waktu yang lama, komunitas riset telah berusaha mencapai hal ini, dengan Smith sendiri terlibat sejak masa pascasarjana. Namun, tidak ada upaya yang berhasil sampai sekarang.

Akhirnya, para peneliti dari University of Illinois berhasil membuat material baru. Mereka mencapainya dengan mengambil sesuatu yang sudah disempurnakan. Jadi, mereka mengambil apa yang dianggap sebagai quantum dot paling berkembang dan memanfaatkannya sebagai apa yang disebut Smith sebagai ‘cetakan pengorbanan’.

Kadmium selenida (CdSe) adalah senyawa anorganik yang diklasifikasikan sebagai semikonduktor II‑VI tipe n. Senyawa ini transparan terhadap cahaya inframerah (IR) dan sangat luminesen namun penggunaannya terbatas pada fotoresistor.

Seperti yang dicatat dalam penelitian, nanokristal semikonduktor koloidal berbasis CdSe telah dioptimalkan secara tepat untuk aplikasi fotonik di spektrum tampak. Produk modern sebenarnya menampilkan keseragaman struktural dengan hampir seratus persen quantum yield.

Sekarang, tim tersebut mengambil kadmium selenida dan mengganti atom kadmium (Cd) dengan atom merkuri (Hg). Seketika, hal ini mengubah semuanya ke spektrum inframerah sambil mempertahankan semua kualitas yang diinginkan, termasuk pemancaran cahaya yang kuat dan penyerapan cahaya yang kuat.

Untuk mencapai ini, para peneliti harus meninggalkan cara konvensional dalam mensintesis nanokristal. Metode tradisional melibatkan pencampuran elemen prekursor terlebih dahulu, dan kemudian, di bawah kondisi yang tepat, mereka terurai menjadi struktur nanokristal yang diinginkan.

Namun, tidak ada kondisi yang terbukti berhasil untuk selenida, merkuri, dan kadmium. Jadi, peneliti postdoktoral Lee mengembangkan metode baru yang disebut pertukaran kation yang ditingkatkan dengan interdifusi.

Dalam proses ini, tim menambahkan perak sebagai elemen keempat, yang memperkenalkan cacat pada material. Ini, kata Smith, menyebabkan “semua tercampur secara homogen. Dan itu menyelesaikan seluruh masalah.”

Pada akhirnya, tim mengembangkan nanokristal merkuri selenida (HgSe) dan merkuri kadmium selenida (HgCdSe) yang memancarkan dan menyerap di spektrum inframerah. Dikembangkan dari prekursor CdSe spektrum tampak, yang sudah sangat berkembang, material baru ini mempertahankan atribut yang diinginkan, termasuk bentuk, ukuran, dan keseragaman nanokristal kadmium selenida, sambil memiliki penyerapan yang lebih baik.

Nanokristal homogen ini, HgSe dan aloi HgxCd1−xSe, juga memiliki celah pita yang dapat disetel di spektrum inframerah. Menurut penelitian, “setelah pasivasi dengan selubung heteroepitaksial CdZnS, panjang gelombang fotoluminesensi dapat disetel di inframerah gelombang pendek berdasarkan komposisi tanpa mengubah ukuran, dengan quantum yield 80–91% dan lebar garis mendekati 100 meV.”

Aplikasi Potensial Quantum Dot Inframerah 

Ukuran unik quantum dot kecil, dikombinasikan dengan sifat elektronik yang dapat disetel, membuat QD sangat menarik untuk teknologi baru dan berbagai aplikasi.

Berkat kemampuan mereka memancarkan spektrum warna cerah dan murni, koefisien ekstinsi tinggi, dan efisiensi tinggi menjadikan quantum dot sangat penting untuk aplikasi optik, seperti lampu LED, tampilan, dan fotovoltaik. Ketika digunakan dalam pengembangan layar tampilan canggih, teknologi ini meningkatkan akurasi warna dan kecerahan.

Keamanan dan pengawasan adalah sektor lain di mana mereka dapat meningkatkan kemampuan penglihatan malam dan membantu mengidentifikasi individu atau objek dalam lingkungan gelap atau terhalang. Di industri otomotif, hal ini dapat membantu meningkatkan sistem bantuan pengemudi dan memperbaiki keselamatan mengemudi di malam hari. Mereka juga dapat mendeteksi polutan di lingkungan dan kontaminan di sumber air.

Karena ukuran quantum dot yang kecil, yang juga berarti mereka memiliki kepadatan keadaan yang lebih tajam dibandingkan struktur berdimensi lebih tinggi, elektron tidak perlu menempuh jarak jauh, yang menghasilkan perangkat elektronik yang dapat beroperasi lebih cepat. Sifat elektronik unik ini sangat berguna untuk sel surya, transistor, komputasi kuantum, serta saklar dan gerbang logika optik ultra cepat.

Ukuran kecil QD juga membuatnya cocok untuk berbagai aplikasi biomedis seperti biosensor dan pencitraan medis. Tidak seperti biosensor berbasis fluoresensi, yang berbasis quantum dot dapat memancarkan spektrum cahaya yang lebih terang sekaligus mengalami sedikit degradasi seiring waktu. Hal ini membuatnya sangat bermanfaat dalam aplikasi biomedis.

Menurut penelitian, material baru, nanokristal merkuri selenida (HgSe) dan merkuri kadmium selenida (HgCdSe), dapat menghasilkan teknik pencitraan generasi berikutnya.

Quantum dot inframerah dapat merevolusi beberapa industri dengan memungkinkan pengembangan teknik pencitraan generasi berikutnya. Misalnya, dalam pencitraan medis, quantum dot inframerah dapat digunakan untuk mendeteksi tumor dan sel kanker secara dini, membantu pencitraan non‑invasif jaringan dan organ dengan gambar yang lebih jelas dan detail, serta digunakan selama operasi untuk meningkatkan presisi dan hasil.

Di sektor perawatan kesehatan, quantum dot inframerah lebih lanjut dapat digunakan untuk pelacakan sel, visualisasi, dan studi perilaku molekul di dalam sel. Seperti yang ditunjukkan dalam penelitian, penggunaan paling signifikan dari quantum dot inframerah dapat menjadi untuk probe molekuler.

Sebagian besar quantum dot memancarkan di spektrum tampak, memungkinkan deteksi hanya pada permukaan. Namun, cahaya inframerah memungkinkan jaringan yang lebih dalam dapat dipelajari. Dengan cara ini, quantum dot yang memancarkan di inframerah memungkinkan peneliti melihat hampir seluruh tubuh, misalnya, tikus hidup, yang digunakan sebagai model standar untuk sebagian besar penyakit, dan mengidentifikasi lokasi molekul spesifik di seluruh tubuh tanpa mengorbankan tikus.

Semua penggunaan ini berarti pemahaman yang lebih baik tentang proses biologis, tubuh manusia, dan mekanisme penyakit, yang pada gilirannya menghasilkan solusi dan perawatan yang lebih baik serta lebih dipersonalisasi.

Selain itu, pencitraan inframerah dengan quantum dot juga dapat digunakan untuk menganalisis material dan komponen, memastikan kualitas produk dalam manufaktur, meningkatkan resolusi teleskop, dan membantu navigasi serta operasi pesawat luar angkasa.

Perusahaan Terkenal yang Bekerja dengan Teknik Pencitraan dan Quantum Dot Inframerah

Sekarang, mari kita lihat perusahaan-perusahaan yang berada di garis depan dalam mengembangkan teknik pencitraan dan bekerja dengan quantum dot:

#1. QD Vision

Perusahaan ini dikenal karena teknologi quantum dot‑nya, khususnya dalam aplikasi tampilan dan pencitraan. Didirikan bersama oleh Moungi Bawendi satu dekade yang lalu, perusahaan telah bekerja mengkomersialkan QD melalui Color IQ.

Pada tahun 2016, Samsung Electronics mengakuisisi IP QD Vision senilai $70 juta, yang mencakup ratusan paten. Dengan langkah strategis ini, tujuannya adalah mendukung visi jangka panjang perusahaan dalam bidang tampilan, TV, dan mungkin bisnis lainnya. Pada saat itu, Samsung menyatakan bahwa IP QD Vision akan menjadi bagian dari upaya R&D perusahaan berbasis Korea untuk mengembangkan implementasi lanjutan QD TV. Layar QLED Samsung menjanjikan kinerja warna yang tak tertandingi dan kualitas gambar yang luar biasa, “membuka aliran baru kemungkinan untuk masa depan.”

Pada kuartal pertama 2024, Samsung melaporkan peningkatan profit operasional sebesar 933% dibandingkan 1Q23. Raksasa teknologi ini memperkirakan kenaikan profit operasional 15 kali lipat pada kuartal kedua 2024, didorong oleh harga semikonduktor berkat lonjakan AI. Meskipun demikian, saham Samsung (SMSN) diperdagangkan pada $1,581, hanya naik 5,54% tahun ini. Perusahaan membayar dividen dengan hasil 1,69%.

#2. Nanoco Group

Terdaftar di London Stock Exchange dengan ticker NANO, Nanoco mengkhususkan diri dalam pengembangan dan manufaktur quantum dot serta nanomaterial lainnya. Diperdagangkan pada $0,1949, sahamnya turun 12,38% tahun ini, dengan EPS (TTM) 0,06 dan P/E (TTM) 3,32.

Perusahaan baru‑baru ini membeli kembali 330.133 saham biasa, yang akan dibatalkan sehingga tersisa 205.038.038 Saham Biasa yang beredar, langkah ini dilakukan untuk meningkatkan nilai pemegang saham. Pada panggilan hasil keuangan 2Q24, CEO‑nya Brian Tenner membahas tentang Nanoco yang menerima dan memenuhi dua pesanan produksi komersial. Meskipun pesanan bervolume rendah, ini berarti Nanoco sebenarnya beralih menjadi perusahaan produksi nyata dan “mengharapkan permintaan dan volume… meningkat seiring waktu.” Perusahaan juga menandatangani dua perjanjian pengembangan bersama dengan pelanggan global yang melibatkan dua nanomaterial generasi kedua yang berbeda untuk digunakan dalam deteksi inframerah.

Teknologi inti Nanoco melibatkan quantum dot CFQD®, yang terdiri dari nanopartikel semikonduktor fluoresen dan quantum dot HEATWAVETM yang dirancang khusus untuk industri sensor. Sementara yang pertama memiliki aplikasi dalam konversi warna OLED, konversi warna μLED, dan penandaan keamanan optik, teknologi yang kedua ditujukan untuk pengenalan wajah biometrik, diagnostik optik, penglihatan malam, pengukuran jarak, dan aplikasi LiDAR.

Pemikiran Akhir 

Seperti yang kita lihat, teknologi quantum dot menjanjikan kemajuan signifikan di berbagai industri. Peneliti saat ini terus mengeksplorasi QD, seperti quantum dot inframerah, yang memiliki aplikasi unik, terutama dalam pencitraan biologis. Seiring permintaan QD terus tumbuh dan ukuran pasar meningkat, kita akan menyaksikan lebih banyak kemajuan di bidang quantum dot, yang memiliki kemampuan untuk merevolusi bidang medis, energi, sensor, dan elektronik konsumen.