Bygge neste generasjons bildeteknikker med infrarøde kvanteprikker

Kvantprikker (QD) teknologi forvandler belysnings- og skjermindustriene. Et populært samtaleemne innen nanoteknologi og materialvitenskap, disse halvledernanokrystallene er svært små halvlederpartikler, så små som noen få nanometer i størrelse. 

Deres elektroniske og optiske egenskaper ligger mellom bulk-diskrete atomer og halvledere. Disse egenskapene avhenger faktisk både av størrelsen og formen på QD-ene. For eksempel emitterer større kvanteprikker på 5–6 nm lengre bølgelengder sammenlignet med kortere bølgelengder som sendes ut av mindre QD-er på 2–3 nm. I tillegg gir de større QD-ene oransje eller røde farger, mens de mindre gir blå og grønn. Spesifisiteten til disse fargene avhenger imidlertid av sammensetningen av kvanteprikkene. 

QD-er er nanoskalale halvledermaterialer med tett innestengte elektroner eller elektronhull, lik en 3D-partikkel-i-en-boks-modell. Ved å koble to eller flere av disse QD-ene, kan også et kunstig molekyl opprettes. Samtidig kan presis montering av dem danne supergitter som fungerer som kunstige faste stoffer, hvis unike optiske og elektroniske egenskaper kan kontrolleres. 

Bare i fjor ble Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov og Louis E. Brus tildelt Nobelprisen i kjemi for oppdagelsen og utviklingen av kvanteprikker. Imidlertid er QD-er ikke så unge som teknologien. De ble først oppdaget for mange tiår siden, i 1980, og det har gått år siden QD-er har blitt brukt i LCD-er som fjernfosforer.

Det potensielle bruksområdet for kvanteprikker er ikke begrenset til skjermer, heller. De strekker seg også til LED-er, lasere, solceller, enkelt-foton-kilder, enkelt-elektron-transistorer, mikroskopi, bioavbildning, cellebiologiforskning og katalyse av kjemiske reaksjoner. 

Drevet av den økende etterspørselen etter energieffektive belysningsløsninger og høykvalitets skjermenheter på tvers av ulike industrier, er QD-markedet forventet å oppleve imponerende vekst med en CAGR på 17,40 % i de kommende årene. Den globale markedstørrelsen for QD er projisert å nå 12,34 milliarder dollar før slutten av dette tiåret. 

Gitt deres brede anvendelse og forventede markedsvekst, har kvanteprikker vært gjenstand for mye forskning og eksperimentering. Dette har imidlertid hovedsakelig vært i det synlige spekteret. Det betyr at det fortsatt er mye å oppdage om teknologien i ultrafiolett og infrarødt område.

Infrarød teknologi har mange bruksområder, så det er et økende behov for kostnadseffektive, lettutviklede og brukervennlige optoelektroniske materialer som er justerbare og infrarøde aktive. Dette har ført til utviklingen av infrarøde kvanteprikker. På grunn av kvanteinnsnevrings‑effekten kan båndgapene til infrarøde kvanteprikker justeres når som helst ved simpelthen å endre dimensjonale begrensninger.

Fremgang i utviklingen av infrarøde kvanteprikker som infrarøde absorberere, for eksempel i solenergi og fotovoltaikk, og infrarøde lysutsendere, som i biologisk avbildning og lysdioder, legger til rette for implementeringen av QD-er i nye anvendelser.

Klikk her for en liste over de fem beste selskapene som leder utviklingen av nanoteknologi. 

Utvikling av høy‑kvalitets nanokrystaller

Nå har Andrew Smith, en bioingeniørprofessor ved University of Illinois at Urbana‑Champaign, og postdoktorforsker Wonseok Lee utviklet nye høy‑kvalitets nanokrystallprodukter.

Publisert i Nature Synthesis og finansiert av National Institutes of Health og National Science Foundation, var forskningen det første tilfellet der infrarøde QD‑er hadde de samme høye standardene som de i det synlige lysspekteret.

Selv etter nesten et halvt århundre med nanokrystallteknologi, har vi kun sett fremskritt i nanokrystaller som opererer i den synlige delen av spekteret. Dette gir mening, gitt at de er en «stor del av skjermenheter».

Som Smith delte, den største delen av enhver teknologi er lysutstråling eller absorpsjon. Så fokuset har vært på å utvikle en teknologi med dagens største marked.

Men det er ikke alt. I tillegg til at nanokrystaller i det synlige spekteret har mye høyere etterspørsel, er kjemien til materialene som brukes i infrarødt også vanskeligere. Dette inkluderer lavere energi og lengre bølgelengder enn lys i det synlige spekteret. 

Nå krever oppnåelse av lysutstråling og absorpsjon i infrarødt tyngre elementer hvis kjemi er vanskelig. Dette betyr mindre forutsigbare reaksjoner og flere uønskede side‑reaksjoner.

Dette er ikke engang slutten på det. Disse tyngre elementene er også utsatt for nedbrytning. De er også følsomme for endringer i omgivelsene, som vann.

Når det gjelder kvanteprikk‑nanokrystaller, kan de lages fra elementære halvledere, som silisium, eller de kan lages av to elementer (binære) eller tre elementer (ternære). Ved å blande to elementer sammen, kan flere forskjellige egenskaper oppnås, og ved å kombinere tre, kan enda flere egenskaper oppnås.

Ved den ledende institusjonen i University of Illinois-systemet fokuserte forskerne på kun én type element, som de tror kan være det «perfekte» materialet å lage. Materialet her er kvikksølv‑kadmium‑selenid. Ifølge Smith:

“Du kan i prinsippet få hvilken som helst egenskap du ønsker ved å endre forholdet mellom kadmium‑ og kvikksølv‑atomer. Det kan dekke dette enorme området av det elektromagnetiske spekteret—fra hele infrarødt til hele det synlige spekteret—og oppnå så mange egenskaper.”

Utnyttelse av den allerede utviklede QD 

Utviklingen av høy‑kvalitets infrarøde kvanteprikker har faktisk tatt år å utvikle. I lang tid har forskningsmiljøet forsøkt å oppnå dette, med Smith selv involvert siden studietiden. Men ingen av innsatsene har vært vellykkede før nå.

Endelig klarte forskerne fra University of Illinois å lage et nytt materiale. De oppnådde dette ved å ta noe som allerede var perfeksjonert. Så de tok det som anses å være den mest utviklede kvanteprikken og brukte den som det Smith kalte en «sacrificial mold».

Kadmium‑selenid (CdSe) er en uorganisk forbindelse klassifisert som en II‑VI‑halvleder av n‑type. Den er transparent for infrarødt (IR) lys og svært luminescerende, men har hatt begrenset bruk i fotomotstander.

Som forskningen bemerket, har CdSe‑baserte kolloidale halvleder‑nanokrystaller blitt presist optimalisert for fotoniske anvendelser i det synlige spekteret. Moderne produkter viser faktisk strukturell uniformitet med nesten hundre prosent kvanteutbytte. 

Nå tok teamet kadmium‑selenid og erstattet kadmium‑atomene (Cd) med kvikksølv‑atomene (Hg). Umiddelbart endret dette alt til infrarødt spekter samtidig som alle ønskede egenskaper ble beholdt, inkludert sterk lysutstråling og sterk lysabsorpsjon.

For å oppnå dette måtte forskerne forkaste den konvensjonelle måten å syntetisere nanokrystaller på. Den tradisjonelle metoden innebærer først å blande forløper‑elementene, og deretter, under de rette forholdene, brytes de ned til den ønskede nanokrystallstrukturen. 

Imidlertid har ingen forhold vist seg å fungere for selenid, kvikksølv og kadmium. Så utviklet postdoktorforsker Lee en ny metode kalt interdiffusjon‑forsterket kationutveksling.

I denne prosessen la teamet til sølv som det fjerde elementet, som introduserer feil i materialet. Dette, sa Smith, forårsaket at «alt blandet seg homogent. Og det løste hele problemet.»

Til slutt utviklet teamet kvikksølv‑selenid (HgSe) og kvikksølv‑kadmium‑selenid (HgCdSe) nanokrystaller som emitterer og absorberer i infrarødt spekter. Utviklet fra CdSe‑forløpere i det synlige spekteret, som allerede er godt utviklet, beholdt de nye materialene de ønskede egenskapene, inkludert form, størrelse og uniformitet av kadmium‑selenid‑nanokrystallene, samtidig som de har forbedret absorpsjon.

Disse homogene nanokrystallene, HgSe og HgxCd1−xSe‑legeringer, har også justerbare båndgap i infrarødt spekter. Ifølge forskningen: «etter passivering med heteroepitaktiske CdZnS‑skall, er fotoluminescensbølgelengder justerbare i kortbølget infrarødt ved sammensetning uten å endre størrelse, med 80–91 % kvanteutbytte og linjebredder nær 100 meV.»

Potensielle anvendelser av infrarøde kvanteprikker 

Den unike størrelsen på små kvanteprikker, kombinert med deres justerbare elektroniske egenskaper, gjør QD-er svært attraktive for ny teknologi og en rekke anvendelser. 

Takket være deres evne til å sende ut et regnbue av lyse og rene farger, gjør deres høye ekstinksjonskoeffisient og høye effektivitet kvanteprikker spesielt betydningsfulle for optiske anvendelser, som LED‑lys, skjermer og fotovoltaikk. Når de brukes i utviklingen av avanserte skjermpaneler, forbedrer teknologien fargenøyaktighet og lysstyrke.

Sikkerhet og overvåkning er en annen sektor hvor de kan forbedre nattsynsevner og hjelpe med å identifisere individer eller objekter i mørke eller skjulte miljøer. I bilindustrien kan dette bidra til å forbedre førerassistansesystemer og øke sikkerheten ved kjøring om natten. De kan også oppdage forurensninger i miljøet og forurensninger i vannkilder.

På grunn av kvanteprikkers lille størrelse, som også betyr at de har en skarpere tilstandstetthet enn høyere‑dimensjonale strukturer, trenger ikke elektroner å reise langt, noe som gir elektroniske enheter som kan operere raskere. Disse unike elektroniske egenskapene er spesielt nyttige for solceller, transistorer, kvantedatabehandling og ultrarask all‑optisk brytere og logiske porter.

Den lille størrelsen på QD‑er gjør dem også egnet for ulike biomedisinske anvendelser som biosensorer og medisinsk avbildning. I motsetning til fluorescens‑baserte biosensorer, kan de som er basert på kvanteprikker sende ut et helt spekter av lysere lys med liten nedbrytning over tid. Dette gjør dem svært fordelaktige i biomedisinske anvendelser.

Ifølge forskningen kan de nye materialene, kvikksølv‑selenid (HgSe) og kvikksølv‑kadmium‑selenid (HgCdSe) nanokrystaller, føre til neste generasjons avbildningsteknikker.

Infrarøde kvanteprikker kan revolusjonere flere industrier ved å muliggjøre utviklingen av neste generasjons avbildningsteknikker. For eksempel kan infrarøde kvanteprikker i medisinsk avbildning brukes til å oppdage svulster og kreftceller tidlig, bidra til ikke‑invasiv avbildning av vev og organer med klarere og mer detaljerte bilder, og brukes under operasjoner for å forbedre presisjon og resultater.

I helsesektoren kan infrarøde kvanteprikker også brukes til celle‑sporing, visualisering og studier av molekylers oppførsel innen celler. Som forskningen påpekte, kan den mest betydningsfulle bruken av infrarøde kvanteprikker være som molekylære prober.

De fleste kvanteprikker emitterer i det synlige spekteret, noe som kun tillater overflatedeteksjon. Imidlertid vil infrarødt lys tillate at dypere vev kan undersøkes. På denne måten gjør kvanteprikker som emitterer i infrarødt at forskere kan se nesten helt gjennom, for eksempel en levende rotte, som brukes som standardmodell for de fleste sykdommer, og identifisere plasseringen av spesifikke molekyler i hele kroppen uten å ofre musene.

Alle disse bruksområdene betyr en bedre forståelse av biologiske prosesser, menneskekroppen og sykdomsmekanismer, og dermed bedre og mer personlig tilpassede løsninger og omsorg. 

I tillegg til alt dette kan infrarød avbildning med kvanteprikker også brukes til å analysere materialer og komponenter, sikre produktkvalitet i produksjon, forbedre oppløsningen til teleskoper, og bistå i navigasjon og drift av romfartøy.

Fremtredende selskaper som arbeider med avbildningsteknikker og infrarøde kvanteprikker

La oss nå se på selskapene i frontlinjen for å fremme avbildningsteknikker og arbeide med kvanteprikker:

#1. QD Vision

Dette selskapet er kjent for sin kvanteprikk‑teknologi, spesielt i skjerm‑ og avbildningsapplikasjoner. Medgrunnlagt av Moungi Bawendi for et tiår siden, har selskapet arbeidet med kommersialisering av QD‑er gjennom Color IQ. 

I 2016 kjøpte Samsung Electronics QD Vision sin IP for 70 millioner dollar, noe som inkluderte hundrevis av patenter. Med dette strategiske trekket var målet å støtte selskapets langsiktige visjon for sine skjerm‑, TV‑ og muligens andre forretninger. På den tiden sa Samsung at QD Vision sin IP ville bli en del av det koreanske selskapets FoU‑innsats for å utvikle avanserte implementeringer av QD‑TV‑er. Samsungs QLED‑skjermer lover enestående fargeytelse og eksepsjonell bildekvalitet, «åpner en ny strøm av muligheter for fremtiden».

I første kvartal 2024 rapporterte Samsung en økning på 933 % i driftsresultatet sammenlignet med 1Q23. Teknologigiganten forventer en 15‑fold økning i driftsresultatet i 2Q24, drevet av halvlederpriser takket være AI‑boomen. Til tross for dette handles Samsung‑aksjer (SMSN) til $1 581, kun opp 5,54 % år‑til‑dato. Selskapet betaler en utbytteavkastning på 1,69 %.

#2. Nanoco Group

Notert på London Stock Exchange under NANO‑ticker, spesialiserer Nanoco seg på utvikling og produksjon av kvanteprikker og andre nanomaterialer. Handlet til $0,1949, er aksjene ned 12,38 % år‑til‑dato, med en EPS (TTM) på 0,06 og en P/E (TTM) på 3,32.

Selskapet kjøpte nylig tilbake 330 133 av sine ordinære aksjer, som vil bli kansellert for å etterlate 205 038 038 ordinære aksjer i emisjon, et tiltak gjort for å øke aksjonærverdien. Under 2Q24‑resultatpresentasjonen snakket administrerende direktør Brian Tenner om at Nanoco mottok og oppfylte to kommersielle produksjonsordrer. Selv om det er lavvolum‑ordrer, betyr dette at Nanoco faktisk er i ferd med å gå over til en ekte produksjonsbedrift og «forventer at etterspørselen og volumet … vil øke over tid». Selskapet signerte også to fellesutviklingsavtaler med globale kunder som involverer to forskjellige andre‑generasjons nanomaterialer for bruk i infrarød sensing.

Nanocos kjerne‑teknologi involverer CFQD®‑kvanteprikker, som består av fluorescerende halvleder‑nanopartikler, og HEATWAVETM‑kvanteprikker som er spesielt designet for bruk i sensorindustrien. Mens de førstnevnte har anvendelser i OLED‑fargekonvertering, μLED‑fargekonvertering og optisk sikkerhetsmerking, er den sistnevnte teknologien for biometrisk ansiktsgjenkjenning, optisk diagnostikk, nattsyn, avstandsmåling og LiDAR‑applikasjoner.

Avsluttende tanker 

Som vi har sett, lover kvanteprikk‑teknologi betydelige fremskritt på tvers av industrier. Forskere utforsker nå videre QD‑er, som infrarøde kvanteprikker, som har unike anvendelser, spesielt innen biologisk avbildning. Etter hvert som etterspørselen etter QD‑er fortsetter å vokse og markedstørrelsen øker, vil vi se enda flere fremskritt innen kvanteprikk‑feltet, som har evnen til å revolusjonere medisin, energi, sensorer og forbrukerelektronikk.