Kropki kwantowe - czym są ?

Na początku lat 80. po raz pierwszy otrzymano struktury nazywane kropkami kwantowymi. Ich nazwę (quantum dots) zaproponował w 1988 r. Mark Reed z Texas Instruments w Dallas. Jednym z najnowszych zastosowań jest wykorzystanie ich w wyświtlaczach do telewizorów i monitorów komputerowych. 

Kropki kwantowe (QD) są półprzewodnikowymi nanokryształami o wielkości 2–10 nm i właściwościach pośrednich między półprzewodnikami i cząstkami kwantowymi. Charakteryzuje je o zjawisko fluorescencji – emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę. Kropka kwantowa zbudowana jest z kilku lub kilkunastu atomów o średnicy do 10 nm i o wyjątkowych właściwościach absorpcji i emisji światła. Podobnie jak półprzewodniki, kropki kwantowe pochłaniają fotony światła o takiej energii, która daje możliwość przejścia elektronów z poziomu niewzbudzonego na jeden z wyższych dostępnych poziomów energetycznych, któremu towarzyszy emisja światła. Energia emitowanych przez nie fotonów zależy od składu kryształu i jego wielkości. Dlatego też mając określony półprzewodzący materiał, możemy otrzymać różne barwy, stanowiące charakterystyczną cechę kropek kwantowych. Nanokryształy o małej średnicy (2 nm) charakteryzują się fluorescencją przy długości fali odpowiadającej światłu niebieskiemu, a nawet promieniowaniu ultrafioletowemu (UV). Gdy wzrasta średnica kropki kwantowej, zwiększa się długość fali emitowanego promieniowania przez cały zakres światła widzialnego aż po promieniowanie podczerwone (IR). Modyfikując skład i dobierając wielkości nanokryształów, uzyskuje się fluorescencję w pełnym zakresie widma – od ultrafioletu (UV) po podczerwień (IR).

W celu otrzymywania kropek kwantowych wykorzystywane są różne związki pierwiastków grupy II oraz IV, np. CdSe, CdTe, CdS₁CdHg, ZnS, a także grupy III i V, np. InAs, InP, GaN, GaAs.

Wymienione wyżej właściwości kropek kwantowych umożliwiają zastosowanie ich w wielu dziedzinach. Od 1998 r. zaczęto stosować je w biologii i medycynie dzięki opracowaniu syntezy rozpuszczalnych w wodzie kropek kwantowych z przyłączonymi do ich powierzchni cząsteczkami biologicznymi. Ze względu na swoje właściwości kropki kwantowe stanowią nową klasę znaczników w diagnostyce obrazowej. Dzięki nim jest możliwe znakowanie komórek i otrzymywanie nanosensorów (biosensorów) do wykrywania związków chemicznych. Kropki kwantowe mogą być nośnikami leków do komórek i służyć do obrazowania (monitorowania) zmian na poziomie komórkowym. Kropki kwantowe postrzega sie jako nowoczesne markery, dzięki którym można śledzić np. rozprzestrzenianie sie nowotworów lub wędrówkę wirusów w ludzkim organizmie. Kolejnym ich interesującym zastosowaniem jest oznaczanie dokumentów, banknotów, obrazów itd., co mogłoby doprowadzić do ograniczenia wszelkiego rodzaju fałszerstw. Zastosowanie kropek kwantowych w ogniwach fotowoltaicznych mogłoby zwiększyć ich wydajność z ok. 33 proc. do ok. 60 proc. Kropki kwantowe RGB, których „wymieszane” światło staje się białe, mogą być stosowane w oświetleniu i zastępowaćując tradycyjne LED-y, dzięki czemu straty energii, np. w postaci ciepła, zostają bardziej ograniczone. Dynamicznie rozwijającym się sektorem zastosowań kropek kwantowych są wyświetlacze do telewizorów, monitorów komputerowych i urządzeń mobilnych.

Jak jest zbudowany wyświetlacz LCD z kwantowymi kropkami?

Wyświetlacze LCD z podświetleniem LED zdominowały rynek telewizorów. Stosuje się w nich dwa rodzaje podświetlenia: tylne i krawędziowe. Różnica polega na rozmieszczeniu LED-ów z tyłu wyświetlacza LCD lub na krawędzi ekranu. Najlepsze telewizory mają podświetlenie tylne, zawierające zestaw kilkudziesięciu białych LED. Poszczególne barwy RGB są tworzone po przejściu światła przez filtry RGB. Jakie barwy obrazu widzimy, zależy od parametrów światła LED, barwnych filtrów RGB i panelu LCD. Dotychczas wyświetlacze spełniały wymagania podstawowej normy Rec. 709. Po przejściu przez filtry RGB barwy te pokrywają niewielki fragment przestrzeni kolorów jedynie 35 proc. możliwości naszych oczu. Daje to spektrum barw bogate w odcienie niebieskie, żółte, pomarańczowe i czerwone, znacznie mniej jest odcieni zieleni i czerwieni. Dotychczas trudnością było wykonanie takich LED-ów i filtrów, aby ich charakterystyki widmowe były zgodne i przepuszczały barwy RGB o wymaganej długości fal i energii.

Z pomocą przychodzą najnowszej generacji materiały fluorescencyjne – kropki kwantowe, które oświetlone światłem niebieskim mogą emitować światło widzialne dostrojone do określonej długości fali danej barwy, i filtry, przez co idealnie nadają się do stosowania w wyświetlaczach obrazu LCD. Nie wchodząc w zawiłości techniczne, kropki kwantowe stosowane w wyświetlaczach umożliwiają konwersję światła niebieskiego na światło o dowolnej długości fali, czyli barwie. Długość fali jest zależna od wielkości kropki określonej średnicą. Na przykład kropka o średnicy 2 nm oświetlona światłem niebieskim staje się źródłem światła zielonego o długości fali 500 nm, a największa (6 nm) emituje światło czerwone o długości fali 630 nm. Najlepsze kropki o wymiarach 2–6 nm mają wydajność 90 proc. Materiałami, z których wykonuje się kropki kwantowe stosowane w wyświetlaczach LCD są selenek kadmu i wodorek indu.

W wyświetlaczach LCD znalazły one zastosowanie pod postacią folii Quantum Dot Enhancement Film (QDEF), opracowanej przez firmy Nanosys i 3M. Zastępuje ona warstwę dyfuzora rozpraszającego równomiernie światło LED. Matryca tylnego podświetlenia (backlight unit) zamiast białych LED-ów zawiera niebieskie LED-y, które oświetlają warstwę QDEF zawierającą kwantowe kropki. Warstwa QDEF zawiera biliony (!) kropek emitujących czerwone i zielone światło pod wpływem niebieskiego. W wyniku mieszania się barw czerwonej (R) i zielonej (G) oraz niebieskiej (B) z LED jest tworzone białe światło. W rzeczywistości warstwę QDEF tworzą trzy folie: dwie zabezpieczające i trzecia z kropkami kwantowymi. Kropki kwantowe mogą być zabezpieczone żywicą epoksydową, polimerami, klejami utwardzanymi promieniami UV. Podobnie jak OLED-y, kropki kwantowe są wrażliwe na tlen i wilgoć. Zabezpieczają je folie firmy 3M typu PET. Trwają prace nad przedłużeniem trwałości wyświetlaczy z kropkami kwantowymi. Ocenia się, że ich trwałość wynosi ok. 30 000 godzin, co wystarcza na oglądanie przez 10 lat po 8 godzin dziennie.

Precyzyjnie zmieniając długość fali, można zmieniać przestrzeń barw, ustalając długości fal barw do filtrów RGB, aby spełnić normy sRGB, DCI-P3, Adobe 1998, Rec. 709 czy Rec. 2020. Dobierając liczbę kropek zielonych w stosunku do czerwonych, można uzyskać także zimne lub ciepłe światło białe o temperaturze barwowej 11 000 K i 6500 K. Przykładem zwiększania przestrzeni barw jest użycie kropek kwantowych w wyświetlaczach z filtrem kolorów CF72, stosowanym w monitorach, które dotychczas były zgodne normą RGB. Dzięki nim otrzymano większą przestrzeń barw, zgodną z normą Adobe 1998.

UWAGA! Zastosowanie kropek kwantowych umożliwia pokrycie w 94–97 proc. zakresu przestrzeni kolorów określonych w normie Rec. 2020, wymaganej w wyświetlaczach Ultra HD.

Produkowane są także pierwsze wyświetlacze QD z podświetleniem krawędziowym przez QD Vision. Moduł podświetlenia QD umieszczony na krawędzi wyświetlacza ma kształt pręta, który jest podświetlany przez niebieskie LED.

Według producentów wyświetlaczy z kropkami kwantowymi jakość barw jest porównywalna z wyświetlaczami OLED i AMOLED przy mniejszych kosztach wytwarzania.