Bygga nästa generations avbildningstekniker med infraröda kvantprickar

Kvantprickar (QD)‑teknologin omvandlar belysnings‑ och displayindustrin. Ett populärt samtalsämne inom nanoteknologi och materialvetenskap, dessa halvledarnanokristaller är mycket små halvledarpartiklar, så små som några nanometer i storlek. 

Deras elektroniska och optiska egenskaper ligger mellan bulkdiskreta atomer och halvledare. Dessa egenskaper beror faktiskt på både storlek och form på dessa QD:er. Till exempel avger större kvantprickar på 5–6 nm längre våglängder jämfört med kortare våglängder som avges av mindre QD:er på 2–3 nm. Dessutom ger de större QD:erna orange eller röda färger, medan de mindre ger blå och grön. Färgspecificiteten beror dock på kvantprickarnas sammansättning. 

QD:er är nanoskaliga halvledarmaterial med tätt begränsade elektroner eller elektronhål, likt en 3D‑partikel‑i‑en‑låda‑modell. Genom att koppla två eller fler av dessa QD:er kan även en artificiell molekyl skapas. Samtidigt kan en exakt sammansättning bilda supergitter som fungerar som artificiella fastmaterial vars unika optiska och elektroniska egenskaper kan kontrolleras. 

Precis förra året tilldelades Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov och Louis E. Brus Nobelpriset i kemi för upptäckten och utvecklingen av kvantprickar. Dock är QD:er inte lika unga som teknologin. De upptäcktes för första gången för flera decennier sedan, år 1980, och har använts i LCD‑skärmar som fjärrfosforer i många år.

Den potentiella tillämpningen av kvantprickar är inte begränsad till displayteknik, utan sträcker sig också till LED‑lampor, lasrar, solceller, enkelfotonkällor, enkel‑elektron‑transistorer, mikroskopi, bioavbildning, cellbiologisk forskning och katalys av kemiska reaktioner.

Drivet av den ökande efterfrågan på energieffektiva belysningslösningar och högkvalitativa displayenheter inom olika industrier, förväntas QD‑marknaden visa imponerande tillväxt med en årlig tillväxttakt (CAGR) på 17,40 % under de kommande åren. Den globala marknadsstorleken för QD förväntas nå 12,34 miljarder dollar innan detta decennium är slut. 

Med tanke på deras breda tillämpning och förväntade marknadstillväxt har kvantprickar varit föremål för omfattande forskning och experiment. Detta har dock främst fokuserat på det synliga spektrumet. Det innebär att mycket återstår att upptäcka om teknologin i ultraviolett‑ och infraröda regioner.

Infraröd teknik har många användningsområden, så det finns ett ökande behov av kostnadseffektiva, lättutvecklade och lättanvända optoelektroniska material som är justerbara och infraröda aktiva. Detta har lett till utvecklingen av infraröda kvantprickar. På grund av kvantkonfineringseffekten kan bandgappen för infraröda kvantprickar justeras när det behövs, helt enkelt genom dimensionella begränsningar.

Framsteg i utvecklingen av infraröda kvantprickar som infraröda absorberare, exempelvis i solbränslen och fotovoltaik, samt som infraröda ljusemitterare, som i biologisk avbildning och lysdioder, underlättar införandet av QD:er i nya tillämpningar.

Klicka här för en lista över de fem främsta företagen som leder utvecklingen av nanoteknik. 

Utveckling av högkvalitativa nanokristaller

Nu har Andrew Smith, professor i bioingenjörsvetenskap vid University of Illinois at Urbana-Champaign, och postdoktorandforskaren Wonseok Lee utvecklat nya högkvalitativa nanokristallprodukter.

Publicerad i Nature Synthesis och finansierad av National Institutes of Health och National Science Foundation, var forskningen det första fallet där infraröda QD:er hade samma höga standard som de i det synliga ljusspektrumet.

Även efter nästan ett halvt sekel av nanokristallteknikens existens har vi bara sett framsteg i nanokristaller som verkar i den synliga delen av spektrumet. Detta är logiskt, med tanke på att de är en “stor del av displayenheter”.

Som Smith delade, är den största delen av all teknik ljusemission eller absorption. Så fokus har legat på att utveckla en teknik med den största marknaden idag.

Men det är inte allt. Förutom att nanokristaller i det synliga spektrumet har mycket högre efterfrågan, är kemin hos de material som används i infrarött också svårare. Detta innebär lägre energi och längre våglängder än ljus i det synliga spektrumet. 

Nu kräver att uppnå ljusemission och absorption i infrarött tyngre element vars kemi är svår. Detta innebär mindre förutsägbara reaktioner och fler oönskade sido‑reaktioner.

Detta är inte ens slutet. Dessa tyngre element är dessutom benägna att degraderas. De är även känsliga för förändringar i omgivningen, såsom vatten.

När det gäller kvantprick‑nanokristaller kan de tillverkas av elementära halvledare, som kisel, eller av två element (binära) eller tre element (ternära). Genom att blanda två element tillsammans kan flera olika egenskaper uppnås, och genom att kombinera tre kan ännu fler egenskaper uppnås.

Vid den ledande institutionen inom University of Illinois‑systemet fokuserade forskarna på bara en enda typ av element, som de tror kan vara det ‘perfekta’ materialet att tillverka. Materialet här är kvicksilver‑kadmium‑selenid. Enligt Smith:

“Du kan i princip få vilken egenskap du vill genom att ändra förhållandet mellan kadmium‑ och kvicksilver‑atomer. Det kan spänna över detta enorma område av det elektromagnetiska spektrumet – från hela infraröda till hela synliga spektrumet – och få så många egenskaper.”

Utnyttjande av den redan utvecklade QD 

Utvecklingen av högkvalitativa infraröda kvantprickar har faktiskt pågått i flera år. Under en lång tid har forskarsamhället försökt uppnå detta, med Smith själv involverad sedan forskarutbildningen. Men inga av ansträngningarna har varit framgångsrika förrän nu.

Till slut kunde forskarna från University of Illinois skapa ett nytt material. De uppnådde detta genom att ta något som redan hade perfektionerats. Så de tog det som anses vara den mest utvecklade kvantpricken och använde den som vad Smith kallade en ‘uppoffrande form’.

Kadmiumselenid (CdSe) är en oorganisk förening klassificerad som en II‑VI‑semiconductor av n‑typ. Den är transparent för infrarött (IR) ljus och mycket luminescent men har haft begränsad användning i fotomotstånd.

Som forskningen noterade har CdSe‑baserade kolloidala halvledarnanokristaller exakt optimerats för fotoniska tillämpningar i det synliga spektrumet. Moderna produkter visar faktiskt strukturell enhetlighet med nästan hundra procent kvantutbyte. 

Nu tog teamet kadmiumselenid och ersatte kadmium‑atomerna (Cd) med kvicksilver‑atomer (Hg). Omedelbart förändrades allt till infrarött spektrum samtidigt som alla önskade egenskaper behölls, inklusive stark ljusemission och stark ljusabsorption.

För att uppnå detta var forskarna tvungna att överge det konventionella sättet att syntetisera nanokristaller. Den traditionella metoden innebär först att blanda föregångarelementen, och sedan, under rätt förhållanden, bryts de ner till den önskade nanokristallstrukturen. 

Dock har inga förhållanden visat sig fungera för selenid, kvicksilver och kadmium. Så postdoktorandforskaren Lee utvecklade en ny metod kallad interdiffusionsförstärkt katjonutbyte.

I denna process tillsatte teamet silver som det fjärde elementet, vilket ger brister i materialet. Detta, sade Smith, fick “allt att blandas homogent. Och det löste hela problemet.”

Till slut utvecklade teamet kvicksilver‑selenid (HgSe) och kvicksilver‑kadmium‑selenid (HgCdSe) nanokristaller som emitterar och absorberar i infrarött spektrum. Utvecklade från CdSe‑föregångare i det synliga spektrumet, som redan är välutvecklade, behöll de nya materialen de önskade egenskaperna, inklusive form, storlek och enhetlighet hos kadmiumselenid‑nanokristallerna, samtidigt som de har förbättrad absorption.

Dessa homogena nanokristaller, HgSe och HgxCd1−xSe‑legeringar, har också justerbara bandgap i infrarött spektrum. Enligt forskningen: “efter passivering med heteroepitaktiska CdZnS‑skal är fotoluminiscensvåglängder justerbara i kortvågsinfrarött genom sammansättning utan att ändra storlek, med 80–91 % kvantutbyte och linjebredder nära 100 meV.”

Potentiella tillämpningar av infraröda kvantprickar 

Den unika storleken på små kvantprickar, kombinerat med deras justerbara elektroniska egenskaper, gör QD:er mycket attraktiva för ny teknik och en mängd olika tillämpningar.

På grund av deras förmåga att avge ett regnbågsformat av ljusa och rena färger, deras höga extinktionskoefficient och höga effektivitet gör kvantprickar särskilt betydelsefulla för optiska tillämpningar, såsom LED‑lampor, skärmar och fotovoltaik. När de används i utvecklingen av avancerade bildskärmar förbättrar tekniken färgprecisionen och ljusstyrkan.

Säkerhet och övervakning är en annan sektor där de kan förbättra nattsynsförmågan och hjälpa till att identifiera individer eller föremål i mörka eller dolda miljöer. Inom bilindustrin kan detta förbättra förarassistanssystem och öka säkerheten vid nattkörning. De kan också upptäcka föroreningar i miljön och föroreningar i vattenkällor.

På grund av kvantprickarnas lilla storlek, vilket också innebär att de har en skarpare tillståndstäthet än högre‑dimensionella strukturer, behöver elektronerna inte färdas långt, vilket ger elektroniska enheter som kan fungera snabbare. Dessa unika elektroniska egenskaper är särskilt användbara för solceller, transistorer, kvantdatorer samt ultrarapida all‑optiska switchar och logikgrindar.

Den lilla storleken på QD:er gör dem också lämpliga för olika biomedicinska tillämpningar såsom biosensorer och medicinsk avbildning. Till skillnad från fluorescensbaserade biosensorer kan de som baseras på kvantprickar avge ett helt spektrum av ljusare ljus med liten nedbrytning över tid. Detta gör dem mycket fördelaktiga i biomedicinska tillämpningar.

Enligt forskningen kan de nya materialen, kvicksilver‑selenid (HgSe) och kvicksilver‑kadmium‑selenid (HgCdSe) nanokristaller, leda till nästa generations avbildningstekniker.

Infraröda kvantprickar kan revolutionera flera industrier genom att möjliggöra utvecklingen av nästa generations avbildningstekniker. Till exempel kan de inom medicinsk avbildning användas för att tidigt upptäcka tumörer och cancerceller, hjälpa till med icke‑invasiv avbildning av vävnader och organ med klarare och mer detaljerade bilder, samt användas under operationer för att förbättra precision och resultat.

Inom hälso‑ och sjukvården kan infraröda kvantprickar dessutom användas för cellspårning, visualisering och studier av molekylers beteende inom celler. Enligt forskningen kan den mest betydelsefulla användningen av infraröda kvantprickar vara som molekylära sonder.

De flesta kvantprickar avger i det synliga spektrumet, vilket bara möjliggör ytdetektion. Dock gör infrarött ljus det möjligt att undersöka djupare vävnader. På så sätt kan kvantprickar som avger i infrarött låta forskare se nästan helt igenom, exempelvis en levande råtta, som används som standardmodell för de flesta sjukdomar, och identifiera placeringen av specifika molekyler i hela kroppen utan att offra djuren.

Alla dessa användningar innebär en bättre förståelse av biologiska processer, människokroppen och sjukdomsmekanismer, och i sin tur bättre och mer personliga lösningar och vård. 

Utöver allt detta kan infraröd avbildning med kvantprickar också användas för att analysera material och komponenter, säkerställa produktkvalitet i tillverkning, förbättra upplösningen hos teleskop och hjälpa till med navigering och drift av rymdfarkoster.

Framhävda företag som arbetar med avbildningstekniker och infraröda kvantprickar

Låt oss nu titta på de företag som ligger i framkant när det gäller att utveckla avbildningstekniker och arbeta med kvantprickar:

#1. QD Vision

Detta företag är känt för sin kvantprickteknik, särskilt inom display‑ och avbildningsapplikationer. Företaget, som grundades av Moungi Bawendi för ett decennium sedan, har arbetat med att kommersialisera QD:er genom Color IQ.

År 2016 förvärvade Samsung Electronics QD Vision:s immateriella rättigheter för 70 miljoner dollar, vilket inkluderade hundratals patent. Med detta strategiska drag var avsikten att stödja företagets långsiktiga vision för sina display‑, TV‑ och eventuellt andra affärsområden. Vid den tiden sade Samsung att QD Vision:s IP skulle bli en del av det koreanska företagets FoU‑insatser för att utveckla avancerade implementationer av QD‑TV‑er. Samsungs QLED‑skärmar lovar oöverträffad färgprestanda och exceptionell bildkvalitet, “öppnar en ny ström av möjligheter för framtiden”.

Under Q1 2024 rapporterade Samsung en ökning på 933 % i sin rörelseresultat jämfört med Q1 2023. Teknikjätten förväntar sig en femtonfaldig ökning i rörelseresultatet under Q2 2024, drivet av halvledarpriser tack vare AI‑boomet. Trots detta handlas Samsungs aktier (SMSN) till 1 581 $, endast upp 5,54 % år‑till‑datum. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 1,69 %.

#2. Nanoco Group

Listat på London Stock Exchange under ticker NANO, specialiserar sig Nanoco på utveckling och tillverkning av kvantprickar och andra nanomaterial. Handlas till 0,1949 $, aktierna har minskat med 12,38 % år‑till‑datum, med ett EPS (TTM) på 0,06 och ett P/E (TTM) på 3,32.

Företaget köpte nyligen tillbaka 330 133 av sina stamaktier, vilka kommer att annulleras för att lämna 205 038 038 stamaktier i omlopp, ett steg gjort för att öka aktieägarvärdet. Under 2Q24‑resultatpresentationen talade VD Brian Tenner om att Nanoco mottagit och uppfyllt två kommersiella produktionsorder. Trots att volymerna är låga innebär detta att Nanoco faktiskt övergår till ett riktigt produktionsföretag och “förväntar sig att efterfrågan och volymen… ska öka över tid.” Företaget har också undertecknat två gemensamma utvecklingsavtal med globala kunder som involverar två olika nanomaterial av andra generationen för användning i infraröd avkänning.

Nanocos kärnteknik involverar CFQD®‑kvantprickar, som består av fluorescerande halvledarnanopartiklar och HEATWAVETM‑kvantprickar som är speciellt designade för användning i sensorindustrin. Medan de förstnämnda har tillämpningar inom OLED‑färgkonvertering, μLED‑färgkonvertering och optisk säkerhetstaggning, är den senare teknologin avsedd för biometrisk ansiktsigenkänning, optisk diagnostik, nattsyn, avståndsmätning och LiDAR‑applikationer.

Avslutande tankar 

Som vi har sett lovar kvantprickteknologin betydande framsteg inom olika industrier. Forskare utforskar för närvarande vidare QD:er, såsom infraröda kvantprickar, som har unika tillämpningar, särskilt inom biologisk avbildning. Allt eftersom efterfrågan på QD:er fortsätter att växa och deras marknadsstorlek ökar, kommer vi att se ännu fler framsteg inom kvantprickfältet, som har förmågan att revolutionera medicin, energi, sensorer och konsumentelektronik.