Оптоэлектроника на квантовых точках: что повысит эффективность работы с одной из самых перспективных квантовых технологий

Сегодня любой человек, зайдя в магазин электроники, может увидеть телевизор на квантовых точках. Открытая в восьмидесятых годах прошлого века, одна из самых интересных квантовых технологий в наши дни постепенно добирается до потребителя. В последнее десятилетие благодаря развитию технологий коллоидного синтеза квантовые точки находят все большее применение в создании оптоэлектронных устройств — фотовольтаических элементов, светодиодов и фотоприемников, готовых по ряду свойств потеснить существующие аналоги. Какими преимуществами обладают новые устройства, готовы ли эти разработки выходить из лабораторий в массовое производство и какие задачи ученым еще предстоит решить в ближайшем будущем? На эти и другие вопросы ответила группа исследователей Университета ИТМО в обзорной статье, посвященной новым концепциям и прогрессу в изучении квантовых точек, а также их применению в оптоэлектронных устройствах. Материал опубликован в журнале Королевского химического общества (Великобритания) Journal of Materials Chemistry A.

Что такое квантовые точки?

Квантовые точки — это нанообъекты, не превышающие в размере десятка нанометров, которые обладают, в первую очередь, очень эффективными оптическими свойствами. Самое понятное для простого человека их свойство люминисценция может быть использовано в различных устройствах с экраном: телевизорах, смартфонах, ноутбуках.

Впервые квантовые точки были получены учеными в 1980-х годах прошлого века. А их активное применение началось в начале 90-х годов: в 1994 году появилось сообщение о первом светодиоде на основе квантовых точек, что стало серьезным толчком для развития электронных устройств. Новый виток в работе с квантовыми точками был связан с развитием технологии коллоидного синтеза, которая позволила существенно улучшить их характеристики, а также ускорить процесс получения. Дело в том, что в отличие от эпитаксиального способа получения квантовых точек, при котором ученым приходится фактически выращивать их слой за слоем, затрачивая достаточно большое количество времени и ресурсов, коллоидный синтез обеспечивает ключевое преимущество — возможность получить практически любой материал и транслировать те образцы, которые получились в лаборатории, в крупномасштабное производство, объясняет Александр Литвин, первый автор обзора, научный сотрудник центра «Информационные оптические технологии» Университета ИТМО.

Телевизор на квантовых точках
Телевизор на квантовых точках

Таким образом, если раньше о широком применении квантовых точек не шло и речи, то уже в 2000-х годах технологии стали постепенно выходить из лабораторий. В последние годы целый ряд компаний выпустил на рынок продукцию с использованием этих наночастиц. Одни из первых прототипов дисплеев на основе квантовых точек выпустила компания LG, разработки первого полноцветного дисплея на основе квантовых точек (QLED) шесть лет назад представили  исследователи из Samsung Electronics. А компания Nexxus Lighting выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек.

В каких еще областях квантовые точки доказывают свою эффективность?

Быстрое повышение эффективности устройств на основе квантовых точек было связано с разработкой эффективных методов синтеза и с оптимизацией архитектуры устройств.

«Оптоэлектроника является одним из тех направлений, в котором квантовые точки находят самое широкое применение. Фотовольтаические элементы, светодиодные устройства и фотоприемники — сегодня как раз в этих трех областях квантовые точки проявляют себя наиболее успешно, составляя конкуренцию уже существующим устройствам. Именно поэтому мы решили рассмотреть эту тему в рамках обзорной статьи. Но целью работы было не только описать и систематизировать классические примеры, но и проанализировать новые тренды во всех трех направлениях. Такие обзоры составляются не только для того, чтобы дать читателю возможность узнать что-либо новое, но и найти для себя важные перспективные направления в дальнейшей работе. Из других активно развивающихся приложений можно выделить биологию, медицину и сенсорику», — говорит Александр Литвин.

Александр Литвин
Александр Литвин

В настоящее время существует огромный выбор квантовых точек, которые покрывают практически весь оптический спектральный диапазон — от ультрафиолетового до инфракрасного, добавляет он. За несколько последних лет работа с квантовыми точками стала традиционной для многих лабораторий по всему миру. Исследования в этой области ведутся и в Университете ИТМО. Одни из последних посвящены изучению хиральности этих структур, а также возможности применять их в медицине. Группа ученых с участием Александра Литвина также работает над улучшением эффективности светоизлучающих устройств на основе квантовых точек. Так, в одной из последних работ исследователи работали над усилением люминесценции квантовых точек инфракрасного диапазона.

В новой, обзорной работе, которая была опубликована в Journal of Materials Chemistry A, ученые проанализировали архитектуры новейших устройств на основе квантовых точек, а также шаги, которые были предприняты для значительного повышения эффективности их свойств. Авторы рассматривают широкий спектр новых конструкций устройств, в частности, структуры с наногетеропереходом и гибридные композиции, включающие комбинации квантовых точек с оксидами металлов, плазмонными наночастицами, графеном и другими нанообъектами.

Помимо дисплеев, которые уже вышли на рынок, одним из перспективных и активно развивающихся уже сегодня применений квантовых точек является создание более доступных солнечных батарей. Как отмечает Александр Литвин, несмотря на то, что квантовые точки пока не могут обеспечить высокую эффективность по сравнению с уже существующими аналогами, они позволят существенно снизить стоимость производства фотовольтаических элементов, сделать его более экологичным, а также создавать устройства на гибких подложках.

Антенны на квантовых точках
Антенны на квантовых точках

Какие задачи предстоит решить исследователям в будущем?

Несмотря на прогресс в разработке фотовольтаических устройств на основе квантовых точек, которые уже показали достаточно большой потенциал для дальнейшего развития, большинство устройств с использованием этих нанообъектов пока еще находится на достаточно ранней стадии исследований и не выходит за пределы лабораторий. Перед тем как вывести разработки на рынок, ученым предстоит преодолеть ряд важных этапов: отработать процесс производства материалов на больших масштабах, подтвердить безопасность материалов, а также обеспечить долгосрочную стабильность таких устройств. В последние годы появляется все больше сообщений об успешных работах в данных направлениях.

Помимо перехода лабораторных технологий в массовое производство, в будущем ученым также предстоит решить вопрос перехода к нетоксичным квантовым точкам в оптоэлектронных устройствах. Основная задача исследователей — сделать создаваемые устройства не только эффективными, но и экологичными и безопасными для пользователей, рассказывает Александр Литвин.

И наконец, третья задача, которую выделяют авторы обзора, — повышение эффективности устройств путем сочетания квантовых точек с другими нанообъектами и создание различных гибридных структур, которые позволяют сочетать полезные свойства нескольких материалов. Одними из перспективных компонентов в таких структурах могут выступать, например, 2D наноструктуры, такие как графен и сульфид молибдена.

Статья: A. P. Litvin, I. V. Martynenko, F. Purcell-Milton, A. V. Baranov, A. V. Fedorov and Y. K. Gun'ko, Colloidal quantum dots for optoelectronics, Journal of Materials Chemistry A, 2017

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба