Membangun Teknik Pencitraan Berikutnya dengan Titik Kuantum Inframerah

Teknologi titik kuantum (QD) sedang mengubah industri pencahayaan dan tampilan. Sebuah topik pembicaraan populer dalam nanoteknologi dan ilmu bahan, kristal nanosemikonduktor ini sangat kecil, sekecil beberapa nanometer dalam ukuran.

Sifat elektronik dan optik mereka jatuh di antara atom diskrit bulk dan semikonduktor. Sifat ini sebenarnya bergantung pada ukuran dan bentuk QD ini. Misalnya, titik kuantum 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 dengan ukuran 2-3 nm. Juga, QD yang pertama menghasilkan warna oranye atau merah, sedangkan yang terakhir menghasilkan warna biru dan hijau. Spesifisitas warna ini, bagaimanapun, bergantung pada komposisi titik kuantum.

QD adalah bahan semikonduktor skala nano dengan elektron atau lubang elektron yang terikat erat, seperti model partikel 3D dalam kotak. Dengan menggabungkan dua atau lebih QD, sebuah molekul buatan juga dapat dibuat. Sementara itu, merakitnya dengan presisi dapat membentuk superlattices yang bertindak sebagai bahan padat buatan yang unik sifat optik dan elektroniknya dapat dikontrol.

Baru tahun lalu, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov, dan Louis E. Brus dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia untuk penemuan dan pengembangan titik kuantum. Namun, QD tidak semuda teknologi. Mereka pertama kali ditemukan beberapa dekade yang lalu, pada 1980, dan sudah bertahun-tahun sejak QD digunakan dalam LCD sebagai fosfor jarak jauh.

Potensi aplikasi titik kuantum tidak terbatas pada tampilan, melainkan juga meluas ke LED, laser, sel surya, sumber foton tunggal, transistor elektron tunggal, mikroskopi, bioimaging, penelitian biologi sel, dan katalisis reaksi kimia.

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

Dengan aplikasi yang luas dan pertumbuhan ukuran pasar yang diharapkan, titik kuantum telah menjadi subjek banyak penelitian dan eksperimen. Namun, ini sebagian besar dalam spektrum yang terlihat. Ini berarti masih banyak yang harus ditemukan tentang teknologi dalam ultraviolet dan inframerah.

Teknologi inframerah memiliki banyak kasus penggunaan, sehingga ada kebutuhan yang meningkat untuk bahan optoelektronik yang efektif biaya, mudah dikembangkan, dan mudah digunakan yang dapat disesuaikan dan aktif dalam inframerah. Ini telah menyebabkan pengembangan titik kuantum inframerah. Karena efek penjara kuantum, celah pita titik kuantum inframerah dapat disesuaikan kapan saja hanya melalui keterbatasan dimensi.

Kemajuan dalam pengembangan titik kuantum inframerah sebagai penyerap inframerah, seperti dalam bahan bakar surya dan fotovoltaik, dan pemancar cahaya inframerah, seperti dalam pencitraan biologis dan LED, memfasilitasi implementasi QD ke dalam aplikasi yang muncul.

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

Mengembangkan Nanokristal Berkualitas Tinggi

Sekarang, Andrew Smith, seorang profesor teknik bio di Universitas Illinois di Urbana-Champaign, dan peneliti postdoc Wonseok Lee telah mengembangkan produk nanokristal baru dengan kualitas tinggi.

Diterbitkan di Nature Synthesis dan didanai oleh National Institutes of Health dan National Science Foundation, penelitian ini adalah contoh pertama QD inframerah yang memiliki standar yang sama dengan yang dalam spektrum cahaya terlihat.

Bahkan setelah hampir setengah abad teknologi nanokristal ada, kita hanya melihat kemajuan dalam nanokristal yang beroperasi dalam bagian spektrum yang terlihat. Ini masuk akal, mengingat mereka adalah “bagian besar dari perangkat tampilan.”

Seperti yang dikatakan Smith, bagian terbesar dari teknologi apa pun adalah emisi atau penyerapan cahaya. Jadi, fokusnya telah ada pada mengembangkan teknologi dengan pasar terbesar saat ini.

Tapi ini tidak semua. Selain nanokristal spektrum yang terlihat memiliki permintaan yang jauh lebih tinggi, kimia bahan yang digunakan dalam inframerah juga lebih sulit. Ini termasuk energi yang lebih rendah dan panjang gelombang yang lebih panjang daripada cahaya dalam spektrum yang terlihat.

Sekarang, mencapai emisi cahaya dan penyerapan dalam inframerah memerlukan unsur yang lebih berat yang kimianya sulit. Ini berarti reaksi yang kurang dapat diprediksi dan lebih banyak reaksi sampingan yang tidak diinginkan.

Ini tidak berakhir di sini. Unsur yang lebih berat ini juga rentan terhadap degradasi. Mereka juga rentan terhadap perubahan lingkungan, seperti air.

Ketika datang ke nanokristal titik kuantum, mereka dapat dibuat dari semikonduktor elemental, seperti silikon, atau mereka dapat dibuat dari dua elemen (biner) atau tiga elemen (ternari). Dengan menggabungkan dua elemen bersama, beberapa sifat yang berbeda dapat dicapai, dan dengan menggabungkan tiga, lebih banyak sifat dapat dicapai.

Di institusi bendera Universitas Illinois, para peneliti fokus pada satu jenis elemen, yang mereka percaya dapat menjadi ‘bahan yang sempurna’ untuk dibuat. Bahan ini adalah selenida merkuri-kadmium. Menurut Smith:

“Anda bisa mendapatkan sifat apa pun yang Anda inginkan dengan mengubah rasio atom kadmium dan merkuri. Ini dapat mencakup jangkauan besar spektrum elektromagnetik—melintasi seluruh inframerah ke seluruh spektrum yang terlihat—dan mendapatkan banyak sifat.”

Menggunakan QD yang Sudah Dikembangkan

Mengembangkan titik kuantum inframerah berkualitas tinggi sebenarnya telah memakan waktu bertahun-tahun. Selama waktu yang lama, komunitas penelitian telah mencoba mencapai ini, dengan Smith sendiri terlibat sejak sekolah pascasarjana. Tapi tidak satu pun dari upaya ini yang berhasil sampai sekarang.

Akhirnya, para peneliti dari Universitas Illinois dapat membuat bahan baru. Mereka mencapai ini dengan mengambil sesuatu yang sudah diperbaiki. Jadi, mereka mengambil apa dianggap sebagai QD yang paling dikembangkan dan menggunakan itu sebagai apa yang disebut Smith sebagai ‘cetakan pengorbanan’.

Selenida kadmium (CdSe) adalah senyawa anorganik yang diklasifikasikan sebagai semikonduktor II-VI tipe n. Ini transparan terhadap cahaya inframerah (IR) dan sangat luminesen, tetapi telah digunakan terbatas dalam fotoresistor.

Seperti yang dicatat dalam penelitian, nanokristal semikonduktor koloid CdSe telah dioptimalkan dengan presisi untuk aplikasi fotonic dalam spektrum yang terlihat. Produk modern sebenarnya menampilkan keseragaman struktural dengan hasil kuantum hampir seratus persen.

Sekarang, tim tersebut mengambil selenida kadmium dan menggantikan atom kadmium (Cd) dengan atom merkuri (Hg). Langsung, ini mengubah semua menjadi spektrum inframerah sambil menjaga semua kualitas yang diinginkan, termasuk emisi cahaya yang kuat dan penyerapan cahaya yang kuat.

Untuk mencapai ini, para peneliti harus membuang cara konvensional untuk mensintesis nanokristal. Metode tradisional melibatkan mencampur elemen prekursor, dan kemudian, di bawah kondisi yang tepat, mereka pecah menjadi struktur nanokristal yang diinginkan.

Namun, tidak ada kondisi yang terlihat untuk bekerja untuk selenida, merkuri, dan kadmium. Jadi, peneliti postdoc Lee mengembangkan metode baru yang disebut pertukaran kation yang ditingkatkan oleh interdifusi.

Dalam proses ini, tim menambahkan perak sebagai elemen keempat, yang membawa cacat pada bahan. Ini, kata Smith, menyebabkan “semuanya bercampur bersama secara homogen. Dan itu memecahkan seluruh masalah.”

Akhirnya, tim tersebut mengembangkan nanokristal selenida merkuri (HgSe) dan selenida merkuri-kadmium (HgCdSe) yang memancarkan dan menyerap dalam spektrum inframerah. Dikembangkan dari prekursor CdSe spektrum yang terlihat, yang sudah mapan, bahan baru ini menjaga atribut yang diinginkan, termasuk bentuk, ukuran, dan keseragaman nanokristal selenida kadmium, sambil memiliki penyerapan yang ditingkatkan.

Nanokristal homogen ini, HgSe dan HgxCd1−xSe, juga memiliki celah pita yang dapat disesuaikan dalam spektrum inframerah. Menurut penelitian, “setelah pasivasi dengan cangkang CdZnS heteroepitaksial, panjang gelombang fotoluminesensi dapat disesuaikan dalam inframerah gelombang pendek dengan komposisi tanpa mengubah ukuran, dengan hasil kuantum 80-91% dan lebar garis dekat 100 meV.”

Aplikasi Potensial dari Titik Kuantum Inframerah

Ukuran unik dari titik kuantum kecil, dikombinasikan dengan sifat elektronik yang dapat disesuaikan, membuat QD sangat menarik untuk teknologi baru dan berbagai aplikasi.

Karena kemampuan mereka untuk memancarkan berbagai warna terang dan murni, koefisien ekstinsinya yang tinggi dan efisiensi yang tinggi membuat titik kuantum sangat signifikan 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 yang gelap atau tersembunyi. Dalam industri otomotif, ini dapat membantu meningkatkan sistem bantuan pengemudi dan meningkatkan keamanan mengemudi malam. Mereka juga dapat mendeteksi polutan dalam lingkungan dan kontaminan dalam sumber air.

Karena ukuran kecil QD, yang juga berarti mereka memiliki kepadatan keadaan yang lebih tajam daripada struktur dimensi yang lebih tinggi, elektron tidak perlu bepergian jauh, yang berarti perangkat elektronik dapat beroperasi lebih cepat. Sifat elektronik unik ini sangat berguna untuk sel surya, transistor, komputasi kuantum, dan sakelar 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 titik kuantum dapat memancarkan spektrum cahaya yang lebih terang sambil memiliki sedikit degradasi seiring waktu. Ini membuatnya sangat bermanfaat dalam aplikasi biomedis.

Menurut penelitian, bahan baru, selenida merkuri (HgSe) dan selenida merkuri-kadmium (HgCdSe) nanokristal, mungkin dapat memimpin teknik pencitraan berikutnya.

Titik kuantum inframerah dapat merevolusi beberapa industri dengan memungkinkan pengembangan teknik pencitraan berikutnya. Misalnya, dalam pencitraan medis, titik kuantum inframerah dapat digunakan untuk mendeteksi tumor dan sel kanker lebih awal, membantu dalam pencitraan non-invasif jaringan dan organ dengan gambar yang lebih jelas dan terperinci, dan digunakan selama operasi untuk meningkatkan presisi dan hasil.

Dalam sektor kesehatan, titik kuantum inframerah dapat lebih lanjut digunakan untuk pelacakan sel, visualisasi, dan studi perilaku molekul dalam sel. Seperti yang disebutkan dalam penelitian, penggunaan paling signifikan dari titik kuantum inframerah mungkin untuk probe molekuler.

Sebagian besar titik kuantum memancarkan dalam spektrum yang terlihat, yang memungkinkan hanya deteksi permukaan. Namun, cahaya inframerah akan memungkinkan untuk jaringan yang lebih dalam untuk diproses. Dengan cara ini, titik kuantum yang memancarkan dalam inframerah memungkinkan peneliti untuk melihat hampir seluruhnya melalui, katakanlah, tikus hidup, yang digunakan sebagai model standar untuk sebagian besar penyakit, dan mengidentifikasi lokasi molekul tertentu di seluruh tubuh tanpa mengorbankan tikus.

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

Selain semua ini, pencitraan inframerah dengan titik kuantum juga dapat digunakan untuk menganalisis bahan dan komponen, memastikan kualitas produk dalam manufaktur, meningkatkan resolusi teleskop, dan membantu dalam navigasi dan operasi pesawat luar angkasa.

Perusahaan Terkemuka yang Bekerja dengan Teknik Pencitraan dan Titik Kuantum Inframerah

Sekarang, mari kita lihat perusahaan yang berada di garis depan dalam memajukan teknik pencitraan dan bekerja dengan titik kuantum:

#1. QD Vision

Perusahaan ini dikenal dengan teknologi titik kuantum, terutama dalam aplikasi tampilan dan pencitraan. Didirikan oleh Moungi Bawendi satu dekade yang lalu, perusahaan ini telah bekerja pada komersialisasi QD melalui Color IQ.

Kembali pada 2016, Samsung Electronics mengakuisisi IP QD Vision seharga $70 juta, yang termasuk ratusan paten. Dengan langkah strategis ini, ideanya adalah untuk mendukung visi jangka panjang perusahaan tentang bisnis tampilan, TV, dan mungkin bisnis lainnya. Pada saat itu, Samsung mengatakan bahwa IP QD Vision akan menjadi bagian dari upaya R&D perusahaan untuk mengembangkan implementasi QD TV yang lebih maju. Tampilan QLED Samsung menjanjikan kinerja warna yang tidak terkalahkan dan kualitas gambar yang luar biasa, “membuka aliran kemungkinan baru untuk masa depan.”

Di Q1 2024, Samsung melaporkan peningkatan 933% dalam laba operasional dibandingkan dengan Q1 2023. Raksasa teknologi ini mengharapkan kenaikan 15 kali lipat dalam laba operasional di Q2 2024, didorong oleh harga semikonduktor berkat booming AI. Meskipun demikian, saham Samsung (SMSN) diperdagangkan pada $1.581, hanya naik 5,54% YTD. Perusahaan membayar dividen yield 1,69%.

#2. Nanoco Group

Terdaftar di Bursa Efek London dengan simbol NANO, Nanoco Group berspesialisasi dalam pengembangan dan manufaktur titik kuantum dan bahan nanomaterial lainnya. Diperdagangkan pada $0,1949, saham tersebut turun 12,38% YTD, dengan EPS (TTM) 0,06 dan P/E (TTM) 3,32.

Perusahaan ini baru-baru ini membeli kembali 330.133 saham biasa, yang akan dibatalkan untuk meninggalkan 205.038.038 saham biasa yang beredar, langkah yang diambil untuk meningkatkan nilai pemegang saham. Selama panggilan laba Q2 2024, CEO-nya Brian Tenner berbicara tentang Nanoco yang menerima dan memenuhi dua pesanan produksi komersial. Meskipun volume pesanan rendah, ini berarti Nanoco sebenarnya bertransisi menjadi perusahaan produksi yang sebenarnya dan “kami berharap permintaan dan volume… akan meningkat seiring waktu.” Perusahaan ini juga menandatangani dua perjanjian pengembangan bersama dengan pelanggan global yang melibatkan dua nanomaterial generasi kedua yang berbeda untuk digunakan dalam sensor inframerah.

Teknologi inti Nanoco melibatkan titik kuantum CFQD, yang terdiri dari nanopartikel semikonduktor fluoresen dan titik kuantum HEATWAVETM yang dirancang khusus untuk digunakan dalam industri sensor. Sementara yang pertama memiliki aplikasi dalam konversi warna OLED, μLEDs konversi warna, dan penanda keamanan optik, teknologi yang terakhir digunakan untuk pengenalan wajah biometrik, diagnostik optik, penglihatan malam, pengukuran jarak, dan aplikasi LiDAR.

Pemikiran Akhir

Seperti yang kita lihat, teknologi titik kuantum berjanji untuk kemajuan signifikan di seluruh industri. Peneliti saat ini lebih lanjut mengeksplorasi QD, seperti titik kuantum inframerah, yang memiliki aplikasi unik, terutama dalam pencitraan biologis. Ketika permintaan QD terus tumbuh dan ukuran pasar mereka meningkat, kita akan melihat lebih banyak kemajuan dalam bidang titik kuantum, yang memiliki kemampuan untuk merevolusi medis, energi, sensor, dan elektronik konsumen.