Computing
Het bouwen van beeldvormingstechnieken van de volgende generatie met infrarode quantumdots
Quantumdots (QD)-technologie transformeert de verlichtings- en displayindustrie. Een populair gespreksonderwerp in nanotechnologie en materiaalkunde, deze halfgeleider‑nanokristallen zijn echt kleine halfgeleiderdeeltjes, zo klein als enkele nanometers.
Hun elektronische en optische eigenschappen liggen tussen bulk discrete atomen en halfgeleiders. Deze eigenschappen zijn afhankelijk van zowel de grootte als de vorm van deze QD’s. Bijvoorbeeld, grotere quantumdots van 5–6 nm geven langere golflengten af in vergelijking met kortere golflengten die door kleinere QD’s van 2–3 nm worden uitgezonden. Bovendien geven de eerste QD’s oranje of rode kleuren, terwijl de laatste blauw en groen produceren. De specificiteit van deze kleuren hangt echter af van de samenstelling van de quantumdots.
QD’s zijn nanoschaal halfgeleidermaterialen met sterk begrensde elektronen of elektronenholtes, vergelijkbaar met een 3D‑deeltje‑in‑een‑doos model. Door twee of meer van deze QD’s te koppelen, kan ook een kunstmatig molecuul worden gecreëerd. Ondertussen kan het nauwkeurig samenstellen ervan superroosters vormen die fungeren als kunstmatige vaste‑stofmaterialen waarvan de unieke optische en elektronische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd.
Nog vorig jaar werden Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov en Louis E. Brus bekroond met de Nobelprijs voor Scheikunde voor de ontdekking en ontwikkeling van quantumdots. Echter, QD’s zijn niet zo jong als de technologie. Ze werden voor het eerst ontdekt vele decennia geleden, in 1980, en al jaren worden QD’s gebruikt in LCD’s als externe fosforen.
De potentiële toepassingen van quantumdots zijn niet beperkt tot displays, ook niet. Ze breiden zich verder uit naar LED’s, lasers, zonnecellen, single‑photon bronnen, single‑elektron transistors, microscopie, bio‑imaging, celbiologie‑onderzoek en katalyse van chemische reacties.
Gedreven door de toenemende vraag naar energiezuinige verlichtingsoplossingen en hoogwaardige displayapparaten in diverse sectoren, wordt de QD-markt naar verwachting een indrukwekkende groei zien met een CAGR van 17,40% in de komende jaren. De wereldwijde marktgrootte van QD wordt naar verwachting $12,34 miljard bereiken vóór het einde van dit decennium.
Gezien hun brede toepassing en de verwachte marktgroei, zijn quantumdots het onderwerp van veel onderzoek en experimenten geweest. Dit heeft echter voornamelijk plaatsgevonden in het zichtbare spectrum. Dit betekent dat er nog veel te ontdekken valt over de technologie in het ultraviolet‑ en infrarode gebied.
Infrarode technologie heeft veel toepassingsgebieden, waardoor er een groeiende behoefte is aan kosteneffectieve, gemakkelijk te ontwikkelen en te gebruiken opto‑elektronische materialen die afstelbaar en infrarood‑actief zijn. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van infrarode quantumdots. Door het quantumconfineffect kunnen de bandgapen van infrarode quantumdots eenvoudig worden afgestemd wanneer nodig, simpelweg via dimensionale beperkingen.
Vooruitgang in de ontwikkeling van infrarode quantumdots als infrarode absorbers, bijvoorbeeld in zonnebrandstoffen en fotovoltaïsche toepassingen, en als infrarode lichtemitters, zoals in biologische beeldvorming en lichtgevende diodes, vergemakkelijkt de implementatie van QD’s in opkomende toepassingen.
Ontwikkeling van hoogwaardige nanokristallen
Nu hebben Andrew Smith, een professor bio‑engineering aan de University of Illinois at Urbana‑Champaign, en postdoc‑onderzoeker Wonseok Lee nieuwe hoogwaardige nanokristalproducten ontwikkeld.
Gepubliceerd in Nature Synthesis en gefinancierd door de National Institutes of Health en de National Science Foundation, was dit onderzoek de eerste keer dat infrarode QD’s dezelfde hoge normen hadden als die in het zichtbare lichtspectrum.
Zelfs na bijna een halve eeuw bestaan van nanokristaltechnologie, hebben we alleen vooruitgang gezien in nanokristallen die opereren in het zichtbare deel van het spectrum. Dit is logisch, aangezien ze een “groot deel van displayapparaten” uitmaken.
Zoals Smith deelde, is het grootste deel van elke technologie licht uitstralen of absorberen. Dus is de focus geweest op het ontwikkelen van een technologie met de grootste markt van vandaag.
Maar dat is niet alles. Naast de nanokristallen in het zichtbare spectrum die een veel hogere vraag hebben, is de chemie van de materialen die in het infrarood worden gebruikt ook moeilijker. Dit omvat lagere energie en langere golflengten dan licht in het zichtbare spectrum.
Nu vereist het realiseren van lichtemissie en absorptie in het infrarood zwaardere elementen waarvan de chemie moeilijk is. Dit betekent minder voorspelbare reacties en meer ongewenste bijreacties.
Dit is nog niet het einde. Deze zwaardere elementen zijn bovendien vatbaar voor degradatie. Ze zijn zelfs gevoelig voor omgevingsveranderingen, zoals water.
Als het gaat om quantumdot‑nanokristallen, kunnen ze worden gemaakt van elementaire halfgeleiders, zoals silicium, of ze kunnen worden gemaakt van twee elementen (binair) of drie elementen (ternair). Door twee elementen samen te mengen, kunnen verschillende eigenschappen worden bereikt, en door drie te combineren, kunnen nog meer eigenschappen worden behaald.
Aan de toonaangevende instelling van het University of Illinois‑systeem richtten de onderzoekers zich op slechts één soort element, waarvan ze geloven dat het het ‘perfecte’ materiaal kan zijn om te maken. Het materiaal hier is kwik‑kadmium selenide. Volgens Smith:
“Je kunt in principe elke gewenste eigenschap krijgen door de verhouding van kadmium‑ en kwikatomen te wijzigen. Het kan dit enorme bereik van het elektromagnetische spectrum bestrijken — van het volledige infrarood tot het volledige zichtbare spectrum — en zo veel eigenschappen verkrijgen.”
Het benutten van de reeds ontwikkelde QD
Het ontwikkelen van hoogwaardige infrarode quantumdots is eigenlijk al jaren in de maak. Al lange tijd probeert de onderzoeksgemeenschap dit te bereiken, waarbij Smith zelf al sinds zijn graduate school betrokken is. Maar geen van de inspanningen is tot nu toe succesvol geweest.
Uiteindelijk konden de onderzoekers van de University of Illinois een nieuw materiaal maken. Ze bereikten dit door iets te nemen dat al geperfectioneerd was. Dus namen ze wat wordt beschouwd als de meest ontwikkelde quantumdot en gebruikten het als wat Smith een ‘offersjabloon’ noemde.
Cadmiumselenide (CdSe) is een anorganische verbinding geclassificeerd als een II‑VI halfgeleider van het n‑type. Het is transparant voor infrarood (IR) licht en zeer luminescent, maar heeft beperkt gebruik gevonden in fotoweerstanden.
Zoals het onderzoek opmerkte, zijn CdSe‑gebaseerde colloïdale halfgeleider‑nanokristallen nauwkeurig geoptimaliseerd voor fotonische toepassingen in het zichtbare spectrum. Moderne producten tonen daadwerkelijk structurele uniformiteit met bijna honderd procent quantumopbrengst.
Nu nam het team cadmiumselenide en verving de cadmiumatomen (Cd) door kwikatomen (Hg). Direct veranderde dit alles naar het infrarode spectrum, terwijl alle gewenste eigenschappen behouden bleven, inclusief sterke lichtemissie en sterke lichtabsorptie.
Om dit te bereiken, moesten de onderzoekers de conventionele manier van het synthetiseren van nanokristallen afschaffen. De traditionele methode omvat eerst het mengen van de precursor‑elementen, en vervolgens, onder de juiste omstandigheden, breken ze af tot de gewenste nanokristalstructuur.
Echter, er zijn geen omstandigheden gevonden die werken voor selenide, kwik en cadmium. Dus ontwikkelde postdoctoraal onderzoeker Lee een nieuwe methode genaamd interdiffusie‑versterkte kationuitwisseling.
In dit proces voegde het team zilver toe als het vierde element, wat onvolkomenheden in het materiaal brengt. Dit, zei Smith, zorgde ervoor dat “alles homogeen mengde. En dat loste het hele probleem op.”
Uiteindelijk ontwikkelde het team kwikselenide (HgSe) en kwik‑kadmiumselenide (HgCdSe) nanokristallen die uitstralen en absorberen in het infrarode spectrum. Ontwikkeld uit CdSe‑precursors van het zichtbare spectrum, die al goed ontwikkeld zijn, behielden de nieuwe materialen de gewenste eigenschappen, waaronder vorm, grootte en uniformiteit van de cadmiumselenide‑nanokristallen, terwijl ze een verbeterde absorptie hebben.
Deze homogene nanokristallen, HgSe en HgxCd1−xSe legeringen, hebben ook afstelbare bandgapen in het infrarode spectrum. Volgens het onderzoek: “na passivering met hetero‑epitaxiale CdZnS‑schelpen, zijn fotoluminescentiegolflengten afstelbaar in het kortgolvige infrarood door samenstelling zonder grootte te veranderen, met 80–91% quantumopbrengst en lijnbreedtes nabij 100 meV.”
Potentiële toepassingen van infrarode quantumdots
De unieke grootte van kleine quantumdots, gecombineerd met hun afstelbare elektronische eigenschappen, maakt QD’s zeer aantrekkelijk voor nieuwe technologieën en een verscheidenheid aan toepassingen.
Dankzij hun vermogen om een regenboog van heldere en zuivere kleuren uit te stralen, maken hun hoge extinctiecoëfficiënt en hoge efficiënties quantumdots bijzonder belangrijk voor optische toepassingen, zoals LED‑verlichting, displays en fotovoltaïsche systemen. Wanneer ze worden gebruikt bij de ontwikkeling van geavanceerde beeldschermen, verbetert de technologie de kleurnauwkeurigheid en helderheid.
Beveiliging en bewaking is een andere sector waar ze de nachtzichtcapaciteit kunnen verbeteren en helpen individuen of objecten te identificeren in donkere of verduisterde omgevingen. In de auto‑industrie kan dit de rijhulpsystemen verbeteren en de veiligheid bij nachtelijk rijden verhogen. Ze kunnen ook verontreinigende stoffen in het milieu detecteren en verontreinigingen in waterbronnen.
Door de kleine grootte van quantumdots, wat betekent dat ze een scherpere toestandsdichtheid hebben dan hoger‑dimensionale structuren, hoeven elektronen niet ver te reizen, wat zich vertaalt naar elektronische apparaten die sneller kunnen werken. Deze unieke elektronische eigenschappen zijn bijzonder nuttig voor zonnecellen, transistors, kwantumcomputing en ultrasnelle all‑optische schakelaars en logische poorten.
De kleine grootte van QD’s maakt ze ook geschikt voor verschillende biomedische toepassingen zoals biosensoren en medische beeldvorming. In tegenstelling tot op fluorescentie gebaseerde biosensoren, kunnen die op quantumdots gebaseerd een heel spectrum van helderdere lichten uitstralen met weinig degradatie over tijd. Dit maakt ze zeer voordelig in biomedische toepassingen.
Volgens het onderzoek kunnen de nieuwe materialen, kwikselenide (HgSe) en kwik‑kadmiumselenide (HgCdSe) nanokristallen, leiden tot beeldvormingstechnieken van de volgende generatie.
Infrarode quantumdots kunnen verschillende industrieën revolutioneren door de ontwikkeling van beeldvormingstechnieken van de volgende generatie mogelijk te maken. Bijvoorbeeld, in medische beeldvorming kunnen infrarode quantumdots worden gebruikt om tumoren en kankercellen vroegtijdig te detecteren, te helpen bij niet‑invasieve beeldvorming van weefsels en organen met duidelijkere en meer gedetailleerde beelden, en tijdens operaties worden ingezet om precisie en resultaten te verbeteren.
In de gezondheidszorg kunnen infrarode quantumdots verder worden gebruikt voor celtracking, visualisatie en studie van het gedrag van moleculen binnen cellen. Zoals het onderzoek aangaf, zou het belangrijkste gebruik van infrarode quantumdots kunnen zijn voor moleculaire sondes.
De meeste quantumdots zenden uit in het zichtbare spectrum, waardoor alleen oppervlaktedetectie mogelijk is. Echter, infrarood licht maakt het mogelijk om dieper in weefsels te onderzoeken. Op deze manier stellen quantumdots die in het infrarood uitzenden onderzoekers in staat om bijna volledig door bijvoorbeeld een levend knaagdier te kijken, dat als standaardmodel voor de meeste ziekten wordt gebruikt, en de locaties van specifieke moleculen door het hele lichaam te identificeren zonder de muizen te moeten opofferen.
Al deze toepassingen betekenen een beter begrip van biologische processen, het menselijk lichaam en ziektesmechanismen, en daarmee betere en meer gepersonaliseerde oplossingen en zorg.
Naast dit alles kan infrarode beeldvorming met quantumdots ook worden gebruikt om materialen en componenten te analyseren, productkwaliteit in de productie te waarborgen, de resolutie van telescopen te verbeteren en te assisteren bij de navigatie en werking van ruimtevaartuigen.
Vooruitstrevende bedrijven die werken met beeldvormingstechnieken en infrarode quantumdots
Laten we nu kijken naar de bedrijven die voorop lopen in het bevorderen van beeldvormingstechnieken en het werken met quantumdots:
#1. QD Vision
Dit bedrijf staat bekend om zijn quantumdot‑technologie, met name in display‑ en beeldtoepassingen. Geco‑fundeerd door Moungi Bawendi tien jaar geleden, het bedrijf werkt aan de commercialisering van QD’s via Color IQ.
In 2016 Samsung Electronics verwierf QD Vision’s IP voor $70 miljoen, inclusief honderden patenten. Met deze strategische zet was het idee om de langetermijnvisie van het bedrijf op zijn display-, TV- en mogelijk andere activiteiten te ondersteunen. Destijds zei Samsung dat QD Vision’s IP deel zou worden van de R&D‑inspanningen van het in Korea gevestigde bedrijf om geavanceerde implementaties van QD‑TV’s te ontwikkelen. Samsung’s QLED‑displays beloven ongeëvenaarde kleurprestaties en uitzonderlijke beeldkwaliteit, “een nieuwe stroom mogelijkheden voor de toekomst” openen.
In Q1 van 2024 rapporteerde Samsung een stijging van 933% in de operationele winst ten opzichte van 1Q23. De techgigant verwacht een 15‑voudige stijging van de operationele winst in 2Q24, gedreven door halfgeleiderprijzen dankzij de AI‑boom. Ondanks dat worden Samsung‑aandelen (SMSN) verhandeld tegen $1.581, slechts 5,54% gestegen YTD. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 1,69%.
#2. Nanoco Group
Genoteerd aan de London Stock Exchange onder het NANO‑ticker, specialiseert Nanoco zich in de ontwikkeling en productie van quantumdots en andere nanomaterialen. Handelend tegen $0,1949, zijn de aandelen YTD met 12,38% gedaald, met een EPS (TTM) van 0,06 en een P/E (TTM) van 3,32.
Het bedrijf kocht recentelijk 330.133 van zijn gewone aandelen terug, die zullen worden geannuleerd om 205.038.038 gewone aandelen in omloop te laten, een stap om de aandeelhouderswaarde te verhogen. Tijdens de 2Q24 winstrapportage sprak CEO Brian Tenner over Nanoco die twee commerciële productieorders ontving en vervulde. Hoewel het lage volume orders zijn, betekent dit dat Nanoco daadwerkelijk overgaat naar een productiebedrijf en “verwacht dat de vraag en het volume… na verloop van tijd zullen toenemen.” Het bedrijf tekende ook twee joint development agreements met wereldwijde klanten met betrekking tot twee verschillende tweede‑generatie nanomaterialen voor gebruik in infrarooddetectie.
Nanoco’s kerntechnologie omvat CFQD® quantumdots, die bestaan uit fluorescerende halfgeleidernanodeeltjes en HEATWAVETM quantumdots die speciaal zijn ontworpen voor gebruik in de sensorindustrie. Terwijl de eerste toepassingen heeft in OLED‑kleurconversie, μLED‑kleurconversie en optische beveiligingsetikettering, is de laatste technologie bedoeld voor biometrische gezichtsherkenning, optische diagnostiek, nachtzicht, afstandsmeting en LiDAR‑toepassingen.
Slotgedachten
Zoals we zagen, belooft quantumdot‑technologie aanzienlijke vooruitgang in verschillende sectoren. Onderzoekers verkennen momenteel verder QD’s, zoals infrarode quantumdots, die unieke toepassingen hebben, vooral in biologische beeldvorming. Naarmate de vraag naar QD’s blijft groeien en hun marktgrootte toeneemt, zullen we nog meer vooruitgang zien op het gebied van quantumdots, die het vermogen hebben om de medische, energie-, sensor- en consumentenelektronica te revolutioneren.
