Kızılötesi Kuantum Noktalarıyla Nesil Sonrası Görüntüleme Teknikleri Oluşturma

Kuantum noktaları (QD) teknolojisi aydınlatma ve ekran endüstrilerini dönüştürüyor. Nanoteknoloji ve malzeme bilimi alanında popüler bir konu olan bu yarı iletken nanokristaller, birkaç nanometre büyüklüğünde çok küçük yarı iletken parçacıklardır. 

Elektronik ve optik özellikleri, toplu ayrı atomlar ile yarı iletkenler arasında yer alır. Bu özellikler, QD’lerin hem boyutuna hem de şekline bağlıdır. Örneğin, 5–6 nm büyüklüğündeki daha büyük kuantum noktaları, 2–3 nm boyutundaki daha küçük QD’lerin yaydığı daha kısa dalga boylarına kıyasla daha uzun dalga boyları yayar. Ayrıca, büyük QD’ler turuncu veya kırmızı renkler üretirken, küçüğü mavi ve yeşil renk verir. Ancak bu renklerin özgüllüğü, kuantum noktalarının bileşimine bağlıdır.

QD’ler, sıkı bir şekilde sınırlı elektronlar veya elektron delikleri bulunan nanoskopik yarı iletken malzemelerdir; bu, bir kutu modelindeki 3B parçacığa benzer. Bu QD’lerden iki veya daha fazlasını birleştirerek yapay bir molekül de oluşturulabilir. Aynı zamanda, onları hassas bir şekilde bir araya getirmek, benzersiz optik ve elektronik özellikleri kontrol edilebilen yapay katı hal malzemeleri gibi davranan süper ızgaralar oluşturabilir.

Geçtiğimiz yıl, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov ve Louis E. Brus, kuantum noktalarının keşfi ve geliştirilmesi nedeniyle Kimya Nobel Ödülü’ne layık görüldü. Ancak QD’ler teknoloji kadar genç değildir. İlk kez 1980’de keşfedildiler ve QD’lerin LCD’lerde uzaktan fosfor olarak kullanılmaya başlanmasından bu yana yıllar geçti.

Kuantum noktalarının potansiyel uygulamaları sadece ekranlarla sınırlı değildir. LED’ler, lazerler, güneş hücreleri, tek foton kaynakları, tek elektron transistörleri, mikroskopi, biyogörüntüleme, hücre biyolojisi araştırmaları ve kimyasal reaksiyon katalizi gibi alanlara da uzanır.

Enerji verimli aydınlatma çözümlerine ve çeşitli endüstrilerde yüksek kaliteli ekran cihazlarına artan talep tarafından yönlendirilen QD market, önümüzdeki yıllarda %17,40 yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) ile etkileyici bir büyüme görecek. QD’nin küresel pazar büyüklüğünün bu on yılın sonuna kadar 12,34 milyar dolar seviyesine ulaşması öngörülüyor. 

Geniş uygulama alanları ve beklenen pazar büyümesi göz önüne alındığında, kuantum noktaları çok sayıda araştırma ve denemenin konusu olmuştur. Ancak bu çalışmalar çoğunlukla görünür spektrumda yapılmıştır. Bu, ultraviyole ve kızılötesi bölgelerde teknoloji hakkında keşfedilecek çok şey olduğu anlamına geliyor.

Infrared technology çok sayıda kullanım senaryosuna sahiptir, bu yüzden maliyet etkin, geliştirmesi ve kullanması kolay, ayarlanabilir ve kızılötesi aktif optoelektronik malzemelere olan talep artmaktadır. Bu, kızılötesi kuantum noktalarının geliştirilmesine yol açtı. Kuantum sınırlama etkisi sayesinde, kızılötesi kuantum noktalarının enerji boşlukları, sadece boyutsal kısıtlamalarla ihtiyaç duyulduğunda ayarlanabilir.

Kızılötesi kuantum noktalarının kızılötesi emiciler (örneğin güneş yakıtları ve fotovoltaiklerde) ve kızılötesi ışık yayıcılar (örneğin biyogörüntüleme ve ışık yayan diyotlarda) olarak geliştirilmesindeki ilerleme, QD’lerin yeni ortaya çıkan uygulamalara entegrasyonunu kolaylaştırmaktadır.

Küçük teknoloji geliştirmesinde öncü ilk beş şirketin listesi için buraya tıklayın.

Yüksek Kaliteli Nanokristallerin Geliştirilmesi

Şimdi, Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign’de biyomühendislik profesörü Andrew Smith ve doktora sonrası araştırmacı Wonseok Lee, yeni yüksek kaliteli nanokristal ürünleri geliştirdi.

Yayınlandı Nature Synthesis’te yayınlanan ve Ulusal Sağlık Enstitüleri ile Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilen araştırma, kızılötesi QD’lerin görünür ışık spektrumundakilerle aynı yüksek standartlara sahip olduğu ilk örnek oldu.

Nanokristal teknolojisinin varlığının neredeyse yarım yüzyılını geride bırakmış olmamıza rağmen, sadece spektrumun görünür kısmında çalışan nanokristallerde ilerleme gördük. Bu, onların “ekran cihazlarının büyük bir parçası” olmalarıyla mantıklı.

Smith’in paylaştığına göre, herhangi bir teknolojinin en büyük kısmı ışık yaymak ya da emmek. Bu yüzden odak, bugün en büyük pazara sahip bir teknoloji geliştirmek üzerine oldu.

Ama bu hepsi değil. Görünür spektrum nanokristallerinin çok daha yüksek talep görmesinin yanı sıra, kızılöteside kullanılan malzemelerin kimyası da daha zordur. Bu, görünür spektrum ışığından daha düşük enerji ve daha uzun dalga boylarını içerir.

Şimdi, kızılöteside ışık yayımı ve absorpsiyonu başarmak, kimyası zor olan daha ağır elementler gerektiriyor. Bu, daha az öngörülebilir reaksiyonlar ve daha fazla istenmeyen yan reaksiyonlar anlamına geliyor.

Bu bile bunun sonu değil. Bu ağır elementler ayrıca bozulmaya daha yatkındır. Çevredeki değişikliklere, örneğin suya, bile duyarlıdırlar.

Kuantum nokta nanokristallerine gelince, silikon gibi elementel yarı iletkenlerden yapılabilir ya da iki elementten (ikili) ya da üç elementten (üçlü) üretilebilir. İki elementi birleştirerek çeşitli farklı özellikler elde edilebilir ve üç element birleştirildiğinde ise daha da fazla özellik sağlanabilir.

Illinois Üniversitesi sisteminin öncü kurumunda, araştırmacılar sadece tek bir element türüne odaklandı; bunun ‘mükemmel’ malzeme olabileceğine inanıyorlar. Buradaki malzeme cıva kadmiyum seleniddir. Smith’e göre:

“Kadmiyum ve cıva atomlarının oranını değiştirerek temelde istediğiniz herhangi bir özelliği elde edebilirsiniz. Bu, elektromanyetik spektrumun bu büyük aralığını—tamamen kızılötesi boyunca tüm görünür spektruma—kapsayabilir ve çok sayıda özellik sağlayabilir.”

Zaten Geliştirilmiş QD’yi Kullanmak 

Yüksek kaliteli kızılötesi kuantum noktalarının geliştirilmesi aslında yıllar süren bir süreçti. Uzun süredir araştırma topluluğu bunu başarmaya çalışıyor; Smith de lisansüstü okulundan beri dahil. Ancak şimdiye kadar hiçbir çaba başarılı olamadı.

Sonunda, Illinois Üniversitesi araştırmacıları yeni bir malzeme yapabildi. Bunu, zaten mükemmelleştirilmiş bir şeyi alarak başardılar. Yani, en gelişmiş kuantum nokta olarak kabul edilen şeyi alıp Smith’in ‘kurban kalıpları’ olarak adlandırdığı bir şey olarak kullandılar.

Kadmiyum selenit (CdSe), n-tipi bir II-VI (COHR ) yarı iletken olarak sınıflandırılan bir inorganik bileşiktir. Kızılötesi (IR) ışığa şeffaftır ve yüksek ışık yayılımına sahiptir ancak foto dirençlerde sınırlı kullanım görmüştür.

Araştırmanın belirttiği gibi, CdSe temelli kolloidal yarı iletken nanokristaller, görünür spektrumda fotonik uygulamalar için hassas bir şekilde optimize edilmiştir. Modern ürünler neredeyse yüzde yüz kuantum verimiyle yapısal tekdüzeliği sergilemektedir.

Şimdi ekip, kadmiyum selenidi alıp kadmiyum (Cd) atomlarını cıva (Hg) atomlarıyla değiştirdi. Bu, hemen her şeyi kızılötesi spektruma dönüştürürken, güçlü ışık yayımı ve güçlü ışık absorpsiyonu gibi istenen tüm nitelikleri korudu.

Bunu başarmak için araştırmacıların geleneksel nanokristal sentezleme yolunu terk etmeleri gerekti. Geleneksel yöntem, öncül elementleri önce karıştırmayı ve ardından uygun koşullar altında istenen nanokristal yapısına dönüşmelerini içerir.

Ancak selenid, cıva ve kadmiyum için çalışan bir koşul görülmemişti. Bu yüzden doktora sonrası araştırmacı Lee, ‘interdiffusion enhanced cation exchange’ (interdiffüzyon destekli katyon değişimi) adlı yeni bir yöntem geliştirdi.

Bu süreçte ekip, dördüncü element olarak gümüş ekledi; bu, malzemeye kusurlar getirdi. Smith’in söylediğine göre, bu “her şeyin homojen bir şekilde karışmasını sağladı. Ve bu bütün sorunu çözdü.”

Sonuçta ekip, kızılötesi spektrumda yayım ve absorpsiyon yapan cıva selenid (HgSe) ve cıva kadmiyum selenid (HgCdSe) nanokristallerini geliştirdi. Zaten iyi geliştirilmiş görünür spektrum CdSe öncüllerinden türetilen yeni malzemeler, cadmiyum selenid nanokristallerinin şekil, boyut ve tekdüzeliği gibi istenen özellikleri korurken, artırılmış absorpsiyon sağladı.

Bu homojen nanokristaller, HgSe ve HgxCd1−xSe alaşımları, ayrıca kızılötesi spektrumda ayarlanabilir enerji boşluklarına sahiptir. Araştırmaya göre, “heteroepitaksiyel CdZnS kabuklarıyla pasifleştirildikten sonra, fotolüminesans dalga boyları boyut değiştirmeden bileşimle kısa dalga kızılötesinde ayarlanabilir; %80–91 kuantum verimi ve yaklaşık 100 meV hat genişliğiyle.”

Kızılötesi Kuantum Noktalarının Potansiyel Uygulamaları 

Küçük kuantum noktalarının benzersiz boyutu, ayarlanabilir elektronik özellikleriyle birleştiğinde, QD’leri yeni teknolojiler ve çeşitli uygulamalar için çok çekici kılıyor.

Parlak ve saf renklerin bir gökkuşağını yayma yetenekleri, yüksek ekstinksyon katsayıları ve yüksek verimlilikleri sayesinde kuantum noktaları optik uygulamalar, örneğin LED ışıklar, ekranlar ve fotovoltaikler için özellikle önemlidir. Gelişmiş ekranların geliştirilmesinde kullanıldığında, teknoloji renk doğruluğunu ve parlaklığı artırır.

Güvenlik ve gözetim, onların gece görüş yeteneklerini artırıp karanlık ya da gizli ortamlarda bireyleri veya nesneleri tanımlamaya yardımcı olabilecek bir diğer sektördür. Otomotiv endüstrisinde, bu sürücü destek sistemlerini geliştirebilir ve gece sürüş güvenliğini artırabilir. Ayrıca çevredeki kirleticileri ve su kaynaklarındaki kontaminantları tespit edebilirler.

Kuantum noktalarının küçük boyutu, daha yüksek boyutlu yapılara göre daha keskin bir durum yoğunluğuna sahip oldukları anlamına gelir; bu da elektronların çok yol kat etmemesi ve elektronik cihazların daha hızlı çalışması demektir. Bu benzersiz elektronik özellikler özellikle güneş hücreleri, transistörler, kuantum bilişim ve ultra hızlı tüm-optik anahtarlar ve mantık kapıları için faydalıdır.

QD’lerin küçük boyutu, biyosensörler ve tıbbi görüntüleme gibi çeşitli biyomedikal uygulamalara da uygun kılar. Floresan tabanlı biyosensörlerin aksine, kuantum noktasına dayalı olanlar daha parlak bir ışık spektrumu yayabilir ve zaman içinde çok az bozulma gösterir. Bu da onları biyomedikal uygulamalarda gerçekten faydalı kılar.

Araştırmaya göre, yeni malzemeler olan cıva selenid (HgSe) ve cıva kadmiyum selenid (HgCdSe) nanokristalleri, nesil sonraki görüntüleme tekniklerine yol açabilir.

Kızılötesi kuantum noktaları, nesil sonraki görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesine olanak tanıyarak birçok sektörü devrim niteliğinde değiştirebilir. Örneğin, tıbbi görüntülemede, kızılötesi kuantum noktaları tümör ve kanser hücrelerini erken tespit etmek, dokuların ve organların daha net ve ayrıntılı görüntülerle invaziv olmayan görüntülenmesine yardımcı olmak ve cerrahi sırasında hassasiyeti ve sonuçları iyileştirmek için kullanılabilir.

Sağlık sektöründe, kızılötesi kuantum noktaları hücre takibi, görselleştirme ve hücre içindeki moleküllerin davranışının incelenmesi için de kullanılabilir. Araştırmanın belirttiği gibi, kızılötesi kuantum noktalarının en önemli kullanımı moleküler probalar olabilir.

Çoğu kuantum noktası görünür spektrumda yayılır ve sadece yüzey tespiti sağlar. Ancak kızılötesi ışık, daha derin dokuların incelenmesine izin verir. Bu şekilde, kızılötesi yayım yapan kuantum noktaları, araştırmacıların örneğin çoğu hastalığın standart modeli olan yaşayan bir kemirgeni neredeyse tamamen görmelerini ve fareyi öldürmeden vücuttaki belirli moleküllerin konumlarını tespit etmelerini sağlar.

Tüm bu kullanım alanları, biyolojik süreçlerin, insan vücudunun ve hastalık mekanizmalarının daha iyi anlaşılması ve dolayısıyla daha iyi ve kişiselleştirilmiş çözümler ve bakım anlamına gelir.

Bunların yanı sıra, kuantum noktalarıyla yapılan kızılötesi görüntüleme, malzeme ve bileşenleri analiz etmek, üretimde ürün kalitesini sağlamak, teleskopların çözünürlüğünü artırmak ve uzay araçlarının navigasyonu ve çalışmasını desteklemek için de kullanılabilir.

Görüntüleme Teknikleri ve Kızılötesi Kuantum Noktalarıyla Çalışan Önde Gelen Şirketler

Şimdi, görüntüleme tekniklerini ilerletmek ve kuantum noktalarıyla çalışan öncü şirketlere bir göz atalım:

#1. QD Vision

Bu şirket, özellikle ekran ve görüntüleme uygulamalarında kuantum nokta teknolojisiyle tanınır. Moungi Bawendi tarafından on yıl önce ortak kurulmuş olup, şirket QD’leri Color IQ aracılığıyla ticarileştirmek üzerinde çalışmaktadır.

2016’da Samsung Electronics, QD Vision’ın IP’sini 70 milyon dolar karşılığında satın aldı; bu, yüzlerce patenti içeriyordu. Bu stratejik hamleyle, şirketin ekran, TV ve muhtemelen diğer iş alanları için uzun vadeli vizyonunu desteklemek amaçlanmıştır. O dönemde Samsung, QD Vision’ın IP’sinin Kore merkezli şirketin QD TV’lerin gelişmiş uygulamalarını geliştirmek için Ar-Ge çabalarına dahil edileceğini söyledi. Samsung’un QLED ekranları, eşsiz renk performansı ve olağanüstü görüntü kalitesi vaat ediyor, “gelecek için yeni bir olasılık akışı açıyor.”

2024’ün 1. çeyreğinde Samsung, 1Q23’e kıyasla işletme karında %933 artış bildirdi. Teknoloji devi, yapay zeka patlaması sayesinde yarı iletken fiyatlarının yükselmesiyle 2Q24’te işletme karında 15 kat artış bekliyor. Buna rağmen, Samsung hisseleri (SMSN) $1.581 seviyesinde işlem görüyor ve yılbaşından bu yana sadece %5,54 artış gösterdi. Şirket, %1,69 temettü getirisi ödemektedir.

#2. Nanoco Group

Londra Borsası’nda NANO kodu altında listelenen Nanoco, kuantum noktaları ve diğer nanomalzemelerin geliştirilmesi ve üretiminde uzmanlaşmıştır. Hisse fiyatı $0.1949 olup, yılbaşından bu yana %12,38 düşüş gösteriyor; EPS (TTM) 0.06 ve P/E (TTM) 3.32.

Şirket, yakın zamanda 330.133 adi hissesini geri satın alarak iptal ettirdi; bu, dolaşımdaki 205.038.038 adi hisseyi bırakacak ve hissedar değerini artırmak amacıyla yapıldı. 2Q24 kazanç çağrısında CEO’su Brian Tenner, Nanoco’nun iki ticari üretim siparişini aldığını ve yerine getirdiğini konuştu. Düşük hacimli siparişler olmasına rağmen, bu Nanoco’nun gerçek bir üretim şirketine geçiş yaptığı ve “talep ve hacmin zamanla artmasını bekliyoruz.” anlamına geliyor. Şirket ayrıca, kızılötesi algılama için iki farklı ikinci nesil nanomalzeme içeren iki ortak geliştirme anlaşması imzaladı.

Nanoco’nun temel teknolojisi, floresan yarı iletken nanopartiküllerden oluşan CFQD® kuantum noktalarını ve sensör endüstrisi için özel olarak tasarlanmış HEATWAVETM kuantum noktalarını içerir. İlkinin uygulamaları OLED renk dönüşümü, μLED renk dönüşümü ve optik güvenlik etiketlemesinde bulunurken, ikincisi biyometrik yüz tanıma, optik tanı, gece görüş, mesafe ölçümü ve LiDAR uygulamaları içindir.

Son Düşünceler 

Gördüğümüz gibi, kuantum nokta teknolojisi sektörler arasında önemli ilerlemeler vaat ediyor. Araştırmacılar şu anda QD’leri, özellikle biyolojik görüntülemede benzersiz uygulamalara sahip kızılötesi kuantum noktaları gibi, daha da keşfediyor. QD’lere olan talep büyümeye ve pazar büyüklüğü artmaya devam ettikçe, kuantum noktalarının tıp, enerji, sensörler ve tüketici elektroniğini devrim niteliğinde değiştirme kapasitesine sahip olduğu alanda daha fazla ilerleme göreceğiz.