Het bouwen van next-gen beeldvormingstechnieken met infrarood quantum dots

Quantum dots (QD) technologie verandert de verlichtings- en beeldschermindustrie. Een populair gespreksonderwerp in nanotechnologie en materiaalkunde, deze halfgeleider nanokristallen zijn echt klein, met een grootte van slechts 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. Zo geven grotere quantum dots van 5-6 nm grootte langere golflengtes af in vergelijking met de kortere golflengtes die worden afgegeven door kleinere QD’s van 2-3 nm grootte. Bovendien geven de eerste QD’s oranje of rode kleuren, terwijl de laatste blauw en groen doen. De specificiteit van deze kleuren is echter afhankelijk van de samenstelling van de quantum dots.

QD’s zijn nanoschaal halfgeleidermaterialen met sterk geconfineerde elektronen of elektronengaten, net als een 3D-deeltje in een doosmodel. Door twee of meer van deze QD’s te koppelen, kan een kunstmatige molecule worden gecreëerd. Tegelijkertijd kan door ze precies te assembleren een superrooster worden gevormd dat fungeert als een kunstmatig vastestofmateriaal waarvan de unieke optische en elektronische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd.

Vorig jaar werden Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov en Louis E. Brus de Nobelprijs voor Scheikunde toegekend voor de ontdekking en ontwikkeling van quantum dots. Echter, QD’s zijn niet zo jong als technologie. Ze werden voor het eerst ontdekt vele decennia geleden, in 1980, en het is al jaren geleden dat QD’s worden gebruikt in LCD’s als remote fosforen.

Het potentieel van quantum dots is niet beperkt tot beeldschermen, het strekt zich verder uit tot LED’s, lasers, zonnecellen, enkele-fotonbronnen, enkele-elektrontransistors, microscopie, bio-imaging, celbiologieonderzoek en chemische reactie-katalyse.

Gedreven door de toenemende vraag naar energie-efficiënte verlichtingsoplossingen en hoge kwaliteit beeldschermapparaten in verschillende industrieën, de QD-markt wordt verwacht een indrukwekkende groei te zien met een CAGR van 17,40% in de komende jaren. De wereldwijde marktgroote van QD wordt verwacht te bereiken $12,34 miljard voordat het einde van dit decennium.

Gezien hun brede toepassing en verwachte marktgroei, zijn quantum dots het onderwerp van veel onderzoek en experimenten. Echter, dit is voornamelijk in het zichtbare spectrum. Dit betekent dat er nog veel te ontdekken valt over de technologie in ultraviolet en infraroodgebieden.

Infraroodtechnologie heeft veel toepassingen, dus er is een toenemende behoefte aan kosteneffectieve, gemakkelijk te ontwikkelen en gemakkelijk te gebruiken optoelektronische materialen die afstembaar en infraroodactief zijn. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van infrarood quantum dots. Door het quantumbeperkings-effect kunnen de bandgaten van infrarood quantum dots worden afgestemd wanneer nodig door dimensionale beperkingen.

Vooruitgang in de ontwikkeling van infrarood quantum dots als infraroodabsorber, zoals in zonnebrandstoffen en fotovoltaïsche cellen, en infraroodlichtemitters, zoals in biologische beeldvorming en lichtemitterende diodes, faciliteert de implementatie van QD’s in opkomende toepassingen.

Klik hier voor een lijst van de top vijf bedrijven die de ontwikkeling van nanotechnologie leiden.

Het ontwikkelen van hoge kwaliteit nanokristallen

Nu, Andrew Smith, een bio-engineer professor aan de University of Illinois at Urbana-Champaign, en postdoc onderzoeker Wonseok Lee hebben nieuwe hoge kwaliteit nanokristalproducten ontwikkeld.

Gepubliceerd in Nature Synthesis en gefinancierd door de National Institutes of Health en de National Science Foundation, was het onderzoek het eerste voorbeeld van infrarood QD’s met dezelfde hoge standaarden als die in het zichtbare lichtspectrum.

Zelfs na bijna een halve eeuw van nanokristaltechnologie bestaat, hebben we alleen maar vooruitgang gezien in nanokristallen die opereren in het zichtbare deel van het spectrum. Dit is logisch, gezien ze een “groot deel van beeldschermapparaten” zijn.

Zoals Smith deelde, is het grootste deel van elke technologie licht emitteren of absorberen. Dus is de focus gericht op het ontwikkelen van een technologie met de grootste markt vandaag.

Maar dit is niet alles. Buiten het feit dat nanokristallen in het zichtbare spectrum 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 golflengtes dan licht in het zichtbare spectrum.

Nu, het bereiken van lichtemissie en -absorptie in het infrarood vereist zwaardere elementen waarvan de chemie moeilijk is. Dit betekent minder voorspelbare reacties en meer ongewenste nevenreacties.

Dit is nog niet het einde. Deze zwaardere elementen zijn ook gevoelig voor afbraak. Ze zijn zelfs gevoelig voor omgevingsveranderingen, zoals water.

Wanneer het gaat om quantum dot 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 bereikt.

Aan de vlaggenschipinstelling van de University of Illinois, richtten de onderzoekers zich op slechts één soort element, dat ze denken dat het ‘perfecte’ materiaal kan zijn om te maken. Het materiaal hier is kwik-kadmiumselenide. Volgens Smith:

“Je kunt eigenlijk elke eigenschap krijgen die je wilt door de verhouding van kadmium- en kwikatomen te veranderen. Het kan een enorm bereik van het elektromagnetische spectrum overspannen—het hele infrarood tot het hele zichtbare spectrum—and krijg zo veel eigenschappen.”

Het gebruik van reeds ontwikkelde QD

Het ontwikkelen van hoge kwaliteit infrarood quantum dots is eigenlijk al jaren in de maak. Al een lange tijd probeert de onderzoekscommunity dit te bereiken, met Smith zelf al sinds zijn studie betrokken. Maar geen van de inspanningen zijn succesvol geweest tot nu toe.

Tenslotte konden de onderzoekers van de University of Illinois een nieuw materiaal maken. Ze bereikten dit door iets te nemen dat al was geperfectioneerd. Dus namen ze wat wordt beschouwd als de meest ontwikkelde quantum dot en gebruikten het als wat Smith een ‘offer-mal’ noemde.

Kadmiumselenide (CdSe) is een anorganische verbinding die wordt geclassificeerd als een II-VI halfgeleider van het n-type. Het is transparant voor infrarood (IR) licht en heeft een hoge luminescentie, maar heeft beperkt gebruik gezien in fotoresistors.

Zoals het onderzoek opmerkte, zijn CdSe-gebaseerde colloïdale halfgeleider nanokristallen precies geoptimaliseerd voor fotontechnologie in het zichtbare spectrum. Moderne producten laten daadwerkelijk structurele uniformiteit zien met bijna honderd procent quantumopbrengst.

Nu namen het team kadmiumselenide en vervingen de atomen van kadmium (Cd) met de kwik (Hg) atomen. Meteen veranderde dit alles in het infraroodspectrum, terwijl alle gewenste kwaliteiten behouden bleven, waaronder sterke lichtemissie en sterke lichtabsorptie.

Om dit te bereiken, moesten de onderzoekers de conventionele manier van nanokristal synthese afwijzen. De traditionele methode omvat het mengen van de precursor-elementen, en vervolgens, onder de juiste omstandigheden, breken ze af in de gewenste nanokristalstructuur.

Echter, zijn er geen omstandigheden gezien die werken voor selenide, kwik en kadmium. Dus ontwikkelde postdoctoraal onderzoeker Lee een nieuwe methode genaamd interdiffusie versterkte cationenuitwisseling.

In dit proces voegden het team zilver toe als vierde element, dat fouten in het materiaal veroorzaakt. Dit, zei Smith, zorgde ervoor dat “alles samen mengde homogeen. En dat loste het hele probleem op.”

Uiteindelijk ontwikkelden het team kwik-selenide (HgSe) en kwik-kadmiumselenide (HgCdSe) nanokristallen die emitteren en absorberen in het infraroodspectrum. Ontwikkeld uit zichtbare spectrum CdSe-precursoren, die al goed ontwikkeld zijn, behielden de nieuwe materialen de gewenste attributen, waaronder vorm, grootte en uniformiteit van de kadmiumselenide nanokristallen, terwijl ze verbeterde absorptie hadden.

Deze homogene nanokristallen, HgSe en HgxCd1−xSe legeringen, hebben ook afstembare bandgaten in het infraroodspectrum. Volgens het onderzoek “na passivering met hetero-epitaxiale CdZnS schillen, zijn fotoluminescentie golflengtes afstembaar in het kortgolfige infrarood door samenstelling zonder verandering in grootte, met 80-91% quantumopbrengst en lijnbreedtes nabij 100 meV.”

Potentiële toepassingen van infrarood quantum dots

De unieke grootte van kleine quantum dots, in combinatie met hun afstembare elektronische eigenschappen, maakt QD’s zeer aantrekkelijk voor nieuwe technologieën en een verscheidenheid aan toepassingen.

Vanwege hun vermogen om een regenboog van heldere en zuivere kleuren te emitteren, maken hun hoge extinctiecoëfficiënt en hoge efficiëntie quantum dots bijzonder belangrijk voor optische toepassingen, zoals LED-lampen, beeldschermen en fotovoltaïsche cellen. Wanneer ze worden gebruikt in de ontwikkeling van geavanceerde beeldschermen, verbetert de technologie de kleurnauwkeurigheid en helderheid.

Beveiliging en bewaking is een andere sector waar ze de nachtzichtcapaciteiten kunnen verbeteren en helpen bij het identificeren van personen of objecten in donkere of verduisterde omgevingen. In de automotive-industrie kan dit helpen bij het verbeteren van bestuurdersassistentiesystemen en het verbeteren van de nachtrijveiligheid. Ze kunnen ook verontreinigingen in het milieu en verontreinigingen in waterbronnen detecteren.

Vanwege de kleine grootte van QD’s, wat ook betekent dat ze een scherpere toestandsdichtheid hebben dan hogerdimensionale structuren, hoeven elektronen niet ver te reizen, wat resulteert in elektronische apparaten die sneller kunnen werken. Deze unieke elektronische eigenschappen zijn bijzonder nuttig voor zonnecellen, transistors, quantum computing en ultrafast all-optical 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 fluorescentie-gebaseerde biosensoren, kunnen die op basis van quantum dots een heel spectrum van heldere lichten emitteren met weinig afbraak in de loop van de tijd. Dit maakt ze echt nuttig in biomedische toepassingen.

Volgens het onderzoek kunnen de nieuwe materialen, kwik-selenide (HgSe) en kwik-kadmiumselenide (HgCdSe) nanokristallen, leiden tot next-gen beeldvormingstechnieken.

Infrarood quantum dots kunnen verschillende industrieën revolutioneren door het mogelijk maken van de ontwikkeling van next-generation beeldvormingstechnieken. Bijvoorbeeld, in medische beeldvorming kunnen infrarood quantum dots worden gebruikt om tumoren en kankercellen vroeg te detecteren, helpen bij niet-invasieve beeldvorming van weefsels en organen met duidelijkere en gedetailleerdere beelden, en worden gebruikt tijdens operaties om de precisie en resultaten te verbeteren.

In de gezondheidszorg kunnen infrarood quantum dots verder worden gebruikt voor celtracking, visualisatie en bestudering van het gedrag van moleculen binnen cellen. Zoals het onderzoek opmerkte, kan de meest significante toepassing van infrarood quantum dots zijn voor moleculaire sondes.

De meeste quantum dots emitteren in het zichtbare spectrum, waardoor alleen oppervlakte detectie mogelijk is. Echter, infrarood licht zal toelaten dat dieper weefsel wordt onderzocht. Op deze manier kunnen quantum dots die emitteren in het infrarood onderzoekers in staat stellen om bijna helemaal door, zeg, een levende rat, te zien, die als standaardmodel voor de meeste ziektes wordt gebruikt, en de locaties van specifieke moleculen in het lichaam te identificeren zonder de muizen te offeren.

Al deze toepassingen betekenen een beter begrip van biologische processen, het menselijk lichaam en ziektemechanismen, en, als gevolg daarvan, betere en meer gepersonaliseerde oplossingen en zorg.

Bovendien kan infraroodbeeldvorming met quantum dots worden gebruikt om materialen en componenten te analyseren, productkwaliteit in de productie te garanderen, de resolutie van telescopen te verbeteren en te helpen bij de navigatie en bediening van ruimtevaartuigen.

Prominente bedrijven die werken met beeldvormingstechnieken en infrarood quantum dots

Nu, laten we een kijk nemen naar de bedrijven die de ontwikkeling van beeldvormingstechnieken en het gebruik van quantum dots leiden:

#1. QD Vision

Dit bedrijf is bekend om zijn quantum dot technologie, met name in beeldscherm- en beeldvormingstoepassingen. Opgericht door Moungi Bawendi een decennium geleden, heeft het bedrijf gewerkt aan het commercialiseren van QD’s via Color IQ.

Terug in 2016, Samsung Electronics verwierf QD Vision’s IP voor $70 miljoen, wat honderden octrooien omvatte. Met deze strategische zet was het idee om de visie van het bedrijf op zijn display, TV en mogelijk andere bedrijven te ondersteunen. Op dat moment zei Samsung dat QD Vision’s IP deel zou uitmaken van de R&D-inspanningen van het Koreaanse bedrijf om geavanceerde implementaties van QD-tv’s te ontwikkelen. Samsung’s QLED-beeldschermen beloven ongeëvenaarde kleurprestaties en uitzonderlijke beeldkwaliteit, “wat een nieuwe stroom van mogelijkheden voor de toekomst opent.”

In Q1 van 2024 rapporteerde Samsung een stijging van 933% in zijn operationele winst in vergelijking met 1Q23. De technologiegigant verwacht een 15-voudige stijging van de operationele winst in 2Q24, gedreven door halfgeleiderprijzen dankzij de AI-boom. Ondanks dat zijn Samsung-aandelen (SMSN) verhandeld tegen $1.581, slechts 5,54% YTD. Het bedrijf betaalt een dividendrendement van 1,69%.

#2. Nanoco Group

Gegenoteerd aan de London Stock Exchange onder de NANO-ticker, specialiseert Nanoco zich in de ontwikkeling en fabricage van quantum dots en andere nanomaterialen. Verhandeld tegen $0,1949, zijn de aandelen 12,38% YTD gedaald, met een EPS (TTM) van 0,06 en een P/E (TTM) van 3,32.

Het bedrijf kocht onlangs 330.133 van zijn gewone aandelen terug, die zullen worden geannuleerd om 205.038.038 gewone aandelen in uitgifte te laten, een stap om aandeelhouderswaarde te verhogen. Tijdens de 2Q24-winstoproep sprak de CEO Brian Tenner over Nanoco die twee commerciële productieorders ontving en uitvoerde. Hoewel het lage volumetoepassingen waren, betekent dit dat Nanoco daadwerkelijk overgaat van een ontwikkelingsfase naar een productiefase en “verwachten we dat de vraag en het volume … in de loop van de tijd zullen toenemen.” Het bedrijf sloot ook twee overeenkomsten voor gezamenlijke ontwikkeling met wereldwijde klanten, waarin twee verschillende tweede generatie nanomaterialen voor gebruik in infrarooddetectie werden betrokken.

Nanoco’s kern technologie omvat CFQD® quantum dots, die bestaan uit fluorescente halfgeleider nanopartikels en HEATWAVETM quantum dots die speciaal zijn ontworpen voor gebruik in de sensorenindustrie. Terwijl de eerste toepassingen heeft in OLED-kleurconversie, μLED-kleurconversie en optische beveiligingstags, is de laatste technologie voor biometrische gezichtsherkenning, optische diagnostiek, nachtzicht, bereikvinding en LiDAR-toepassingen.

Eindgedachten

Zoals we zagen, belooft quantum dots technologie aanzienlijke vooruitgang in verschillende industrieën. Onderzoekers onderzoeken momenteel verder QD’s, zoals infrarood quantum dots, die unieke toepassingen hebben, met name in biologische beeldvorming. Naarmate de vraag naar QD’s blijft groeien en hun marktgroote toeneemt, zullen we nog meer vooruitgang zien in het veld van quantum dots, die het vermogen hebben om medische, energie-, sensoren- en consumentenelektronica te revolutioneren.