Квантовые точки. Квантовые точки — новая технология производства дисплеев

«Квантовые точки - это искусственные атомы, свойствами которых можно управлять »

Ж.И. Алферов, лауреат Нобелевской премии 2000г. по физике за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники

Квантовые точки (КТ) - это изолированные нанообъекты, свойства которых существенно отличаются от свойств объемного материала такого же состава. Сразу следует отметить, что квантовые точки являются скорее математической моделью, нежели реальными объектами. И связано это с невозможностью формирования полностью обособленных структур - малые частицы всегда взаимодействуют с окружающей средой, находясь в жидкой среде или твердой матрице.

Чтобы разобраться в том, что такое квантовые точки, и понять их электронное строение, представьте себе древнегреческий амфитеатр. Теперь вообразите, что на сцене разворачивается увлекательное представление, а зрительские ряды наполнены публикой, пришедшей посмотреть игру актеров. Так вот оказывается, что поведение людей в театре во многом похоже на поведение электронов квантовой точки (КТ). Во время представления актеры передвигаются по арене, не выходя в зрительский зал, а сами зрители следят за действием со своих мест и не спускаются на сцену. Арена - это нижние заполненные уровни квантовой точки, а зрительские ряды - возбужденные электронные уровни, обладающие более высокой энергией. При этом как зритель может находиться в любом ряду зала, так и электрон способен занять любой энергетический уровень квантовой точки, но не может располагаться между ними. Покупая в кассах билеты на представление, все стремились получить самые лучшие места - как можно ближе к сцене. Действительно, ну кто же захочет сидеть в последнем ряду, откуда лицо актера не рассмотришь даже в бинокль! Поэтому, когда перед началом представления зрители рассаживаются, все нижние ряды зала оказываются заполнены, также как в стационарном состоянии КТ, обладающем наименьшей энергией, нижние энергетические уровни полностью заняты электронами. Однако во время представления кто-то из зрителей может покинуть свое место, например, потому что музыка на сцене слишком громко играет или просто сосед неприятный попался, и пересесть на свободный верхний ряд. Вот так и в КТ электрон под действием внешнего воздействия вынужден переходить на более высокий, не занятый другими электронами энергетический уровень, приводя к образованию возбужденного состояния квантовой точки. Наверное, Вам интересно, что при этом происходит с тем пустым местом на энергетическом уровне, где раньше был электрон - так называемой дыркой? Оказывается, посредством зарядовых взаимодействий электрон остается с ней связан и в любой момент может перейти обратно, также как пересевший зритель всегда может передумать и вернуться на обозначенное в его билете место. Пару “электрон-дырка” называют «экситоном» от английского слова “excited”, что означает “возбужденный”. Миграция между энергетическими уровнями КТ, аналогично подъему или спуску одного из зрителей, сопровождается изменением энергии электрона, что соответствует поглощению или излучению кванта света (фотона) при переходе электрона соответственно на более высокий или низкий уровень. Описанное выше поведение электронов в квантовой точке приводит к нехарактерному для макрообъектов дискретному энергетическому спектру, за который КТ часто называют искусственными атомами, в которых уровни электрона дискретны.

Сила (энергия) связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. Если размер частицы меньше радиуса экситона, то экситон оказывается ограничен в пространстве ее размерами, а соответствующая энергия связи значительно изменяется по сравнению с объемным веществом (см. «квантоворазмерный эффект»). Не трудно догадаться, что если энергия экситона изменяется, то изменяется и энергия фотона, излучаемого системой при переходе возбужденного электрона на свое исходное место. Таким образом, получая монодисперсные коллоидные растворы наночастиц различных размеров, можно управлять энергиями переходов в широком диапазоне оптического спектра.

Первыми квантовыми точками были наночастицы металлов, которые синтезировали еще в древнем Египте для окрашивания различных стекол (кстати, рубиновые звезды Кремля получены по близкой технологии), хотя более традиционными и широко известными КТ являются выращенные на подложках полупроводниковые частицы GaN и коллоидные растворы наноокристаллов CdSe. В настоящий момент известно множество способов получения квантовых точек, например, их можно «вырезать» из тонких слоев полупроводниковых «гетероструктур» с помощью «нанолитографии», а можно спонтанно сформировать в виде наноразмерных включений структур полупроводникового материала одного типа в матрице другого. Методом «молекулярно-пучковой эпитаксии» при существенном отличии параметров элементарной ячейки подложки и напыляемого слоя можно добиться роста на подложке пирамидальных квантовых точек, за исследование свойств которых академику Ж.И.Алферову была присуждена Нобелевская премия. Контролируя условия процессов синтеза, теоретически можно получать квантовые точки определенных размеров с заданными свойствами.

Квантовые точки до сих пор являются «молодым» объектом исследования, но уже вполне очевидны широкие перспективы их использования для дизайна лазеров и дисплеев нового поколения. Оптические свойства КТ используются в самых неожиданных областях науки, в которых требуется перестраиваемые люминесцентные свойства материала, например, в медицинских исследованиях с их помощью оказывается возможным “подсветить” больные ткани. Люди, мечтающие о «квантовых компьютерах», видят в квантовых точках перспективных кандидатов для построения кубитов.

Литература

Н. Кобаяси. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007, 134 с.

В.Я. Демиховский, Г.А. Вугальтер Физика квантовых низкоразмерных структур. М.: Логос, 2000.

На международных выставках демонстрируется много новых дисплейных технологий, однако далеко не все они жизнеспособны и обладают соответствующими возможностями для успешного коммерческого внедрения. Одно из приятных исключений — технология квантовых точек, которая уже применяется в подсветке ЖК-дисплеев. Стоит рассказать об этой технической инновации более подробно.

Квантовые точки

Квантовые точки – это наночастицы полупроводниковых материалов. Их параметры определяются размерами: с уменьшением размеров кристалла растет расстояние между энергетическими уровнями. Когда электрон переходит на более низкий уровень, происходит испускание фотона. Изменяя размеры точки, можно регулировать энергию фотона и, как следствие, цвет света.

Это не новое открытие, на самом деле квантовые точки были созданы еще более тридцати лет назад. Но до последнего времени они применялись только в специальных научных приборах в лабораториях. Строго говоря, квантовые точки – это микроскопические элементы, способные излучать свет в узком диапазоне волн. Причем в зависимости от их размеров свет может быть зеленый, красный или синий.

Изменяя их размер, можно тонко регулировать длину волны испускаемого света. Эта технология, применяемая в современных моделях телевизоров, берет свое начало в 2004 году, когда была организована компания QD Vision. Изначально сотрудники этой исследовательской лаборатории старались применить квантовые точки для замены органических красителей при маркировке различных биологических систем, однако затем технологию решили опробовать в телевизорах.

К этой идее вскоре подключились известные компании. В частности, в 2010 году исследователи работали совместно с компанией LG над проектом QLED. Впрочем, самая концепция технологии применительно к ЖК-телевизорам постоянно подвергалась изменениям, ее рабочее название также несколько раз менялось. Спустя год уже в сотрудничестве с Samsung был создан прототип цветного экрана на квантовых точках. Однако он не пошел в серию. Последняя реализация этой концепции стала частью технологии Color IQ от Sony, которая представила экран с подсветкой Triluminos.

Как известно, все ЖК-телевизоры создают картинку путем смешения базовых цветов – красного, зеленого и синего (модель RGB). Иногда добавляется желтый, что, впрочем, существенно не влияет на саму систему создания картинки на ЖК-экране. Смешение цветов RGB в ЖК-телевизорах осуществляется посредством цветных фильтров, а в плазменных панелях – благодаря люминофору.

В классических ЖК-моделях в роли подсветки применяются «белые» светодиоды. Цвет в белом спектре, проходя через цветные фильтры, дает определенный оттенок. В более продвинутых моделях применяются люминофорные светодиоды, которые испускают свет в синей области. Затем этот свет, смешиваясь с желтым, превращается в визуально белый. Для создания же на экране из подобного белого цвета, соответственно, красного, синего и зеленого применяются светофильтры. Это достаточно эффективно, но все же впустую расходуется много энергии. Кроме того, тут инженерам приходится искать определенный баланс между качеством цветопередачи и яркостью подсветки.

Преимущества телевизоров на квантовых точках

Два года назад компания Sony впервые представила серийно выпускаемые модели телевизионных устройств с подсветкой Triluminos, в которой как раз и реализованы квантовые точки. Это, в частности, KD-65X9000A. В подсветке применяются синие диоды, но здесь нет желтого люминофора. В результате, синий свет, не смешиваясь, напрямую проходит через специальный элемент IQ, который содержит красную и зеленую квантовые точки. Основными достоинствами технологии производитель называет более глубокую цветопередачу и минимизация потерь в яркости.

Предполагается, что в сравнении с LED-подсветкой квантовые точки обеспечат увеличение цветовой гаммы практически на 50 процентов. Цветовой охват в новых TV Sony с подсветкой Triluminos близок к 100% NTSC, модели же с обычной подсветкой имеют около 70% NTSC. Таким образом, можно констатировать, что телевизоры с подсветкой на квантовых точках действительно могут улучшить качество изображения, сделав цветопередачу более реалистичной.

Но вот насколько более реалистичной? Ведь известно, что в тех же телевизорах Sony картинка создается при помощи привычных фильтров, осуществляющих смешение цветов? Ответить на этот вопрос довольно сложно, тут многое зависит от субъективного восприятия качества изображения. Во всяком случае, счастливые обладатели первых телевизоров Sony с новой подсветкой отмечают, что изображение на экране выглядит как картина, написанная более чистыми цветными красками.

То, что и другие ведущие компании мгновенно подключились к внедрению этого технологического новшества, подтверждает тот факт, что квантовые точки не являются исключительно маркетинговым ходом. На CES 2015 компания Samsung представила телевизоры SUHD TV, в которых также была реализована подобная технология. Отмечается, что новые телевизоры обеспечивают более высокое качество изображения при цене ниже, чем у OLED-моделей. Компания LG также представила на выставке ULTRA HD телевизоры с технологией квантовых точек (Quantum Dot).

Сравнение с OLED не случайно. Ведь многие компании сначала обратились к OLED-технологии, как к способу повысить качество изображения современных телевизоров, но столкнулись с проблемой их производства при запуске в серию. Особенно это касается OLED-телевизоров с большой диагональю экрана и сверхвысоким разрешением.

В лице квантовых точек был найден своеобразный запасной вариант — цветовая гамма на таких телевизорах практически так же хороша, как и на OLED-дисплеях, а проблем с промышленным освоением технологии практически нет. Это позволяет компаниям выпускать телевизоры, которые по качеству картинки будут соперничать с OLED-технологией, оставаясь по цене доступными широкому кругу потребителей.

Квантовые точки - это крошечные кристаллы, излучающие свет с точно регулируемым цветовым значением. Технология Quantum dot LED существенно повышает качество изображения, не влияя при этом на конечную стоимость устройств, в теории:).

Обычные жидкокристаллические телевизоры могут охватывать лишь 20–30% цветового диапазона, который способен воспринимать человеческий глаз. Изображение на обладает большой реалистичностью, но данная технология не ориентирована на массовое производство больших диагоналей дисплеев. Кто следит за рынком телевизоров, помнит, что еще в начале 2013 года Sony представила первый телевизор на основе квантовых точек (Quantum dot LED, QLED) . Крупные производители телевизоров выпустят модели телевизоров на квантовых точках в этом году, Samsung их уже представил в России под названием SUHD, но об этом в конце статьи. Давайте узнаем, чем отличаются дисплеи, произведенные по QLED технологии, от уже привычных ЖК-телевизоров.

В ЖК-телевизорах отсутствуют чистые цвета

Ведь жидкокристаллические дисплеи состоят из 5 слоев: источником является белый свет, излучаемый светодиодами, который проходит через несколько поляризационных фильтров. Фильтры, расположенные спереди и сзади, в совокупности с жидкими кристаллами управляют проходящим световым потоком, понижая или повышая его яркость. Это происходит благодаря транзисторам пикселей, влияющие на количество света, проходимое через светофильтры (красный , зеленый , синий ). Сформированный цвет этих трех субпикселей, на которые наложены фильтры, дает определенное цветовое значение пикселя. Смешение цветов происходит довольно «гладко», но получить таким образом чистый красный, зеленый или синий попросту невозможно. Камнем преткновения выступают фильтры, которые пропускают не одну волну определенной длины, а целый ряд различных по длине волн. К примеру, через красный светофильтр проходит также оранжевый свет.

Светодиод излучает свет при подаче на него напряжения. Благодаря этому электроны (e) переходят из материала N-типа в материал P-типа. Материал N-типа содержит атомы с избыточным количеством электронов. В материале P-типа присутствуют атомы, которым не хватает электронов. При попадании в последний избыточных электронов они отдают энергию в виде света. В обычном полупроводниковом кристалле это, как правило, белый свет, образуемый множеством волн различной длины. Причина этого заключается в том, что электроны могут находиться на различных энергетических уровнях. В результате полученные фотоны (P) имеют различную энергию, что выражается в различной длине волн излучения.

Стабилизация света квантовыми точками

В телевизорах QLED в качестве источника света выступают квантовые точки - это кристаллы размером лишь несколько нанометров. При этом необходимость в слое со светофильтрами отпадает, поскольку при подаче на них напряжения кристаллы излучают свет всегда с четко определенной длиной волны, а значит, и цветовым значением. Данный эффект достигается мизерными размерами квантовой точки, в которой электрон, как и в атоме, способен передвигаться лишь в ограниченном пространстве. Как и в атоме, электрон квантовой точки может занимать только строго определенные энергетические уровни. Благодаря тому что эти энергетические уровни зависят в том числе и от материала, появляется возможность целенаправленной настройки оптических свойств квантовых точек. К примеру, для получения красного цвета используют кристаллы из сплава кадмия, цинка и селена (CdZnSe), размеры которых составляют около 10–12 нм. Сплав кадмия и селена подходит для желтого, зеленого и синего цветов, последний можно также получить при использовании нанокристаллов из соединения цинка и серы размером 2–3 нм.

Массовое производство синих кристаллов очень сложное и затратное, поэтому представленный в 2013 году компанией Sony телевизор не является «породистым» QLED-телевизором на основе квантовых точек . В задней части производимых их дисплеев располагается слой синих светодиодов, свет которых проходит через слой красных и зеленых нанокристаллов. В результате они, по сути, заменяют распространенные в настоящее время светофильтры. Благодаря этому цветовой охват в сравнении с обычными ЖК-телевизорами увеличивается на 50%, однако не дотягивает до уровня «чистого» QLED-экрана. Последние помимо более широкого цветового охвата обладают еще одним преимуществом: они позволяют экономить энергию, так как необходимость в слое со светофильтрами отпадает. Благодаря этому передняя часть экрана в QLED-телевизорах еще и получает больше света, чем в обычных телевизорах, которые пропускают лишь около 5% светового потока.

QLED телевизор с дисплеем на основе технологии квантовых точек от Samsung

Компания Samsung Electronics представила в России премиальные телевизоры, изготовленные по технологии квантовых точек. Новинки с разрешением 3840 × 2160 пикселей оказались не из дешёвых, а флагманская модель вовсе оценена в 2 млн рублей.

Нововведения. Изогнутые телевизоры Samsung SUHD на квантовых точках отличаются от распространённых ЖК-моделей более высокими характеристиками цветопередачи, контрастности и энергопотребления. Интегрированный процессор обработки изображения SUHD Remastering Engine позволяет масштабировать видеоконтент низкого разрешения в 4K. Помимо этого, новые телевизоры получили функции интеллектуальной подсветки Peak Illuminator и Precision Black, технологии Nano Crystal Color (улучшает насыщенность и естественность цветов), UHD Dimming (обеспечивает оптимальный контраст) и Auto Depth Enhancer (автоматическая настройка контрастности для определённых областей картинки). В программной основе телевизоров лежит операционная система Tizen с обновлённой платформой Samsung Smart TV.

Цены. Семейство Samsung SUHD TV представлено в трёх сериях (JS9500, JS9000 и JS8500), где стоимость начинается со 130 тыс. рублей. Во столько российским покупателям обойдётся 48-дюймовая модель UE48JS8500TXRU. Максимальная цена на телевизор с квантовыми точками достигает 2 млн рублей - за модель UE88JS9500TXRU с 88-дюймовым изогнутым дисплеем.

Телевизоры нового поколения по технологии QLED готовят южнокорейские Samsung Electronics и LG Electronics, китайские TCL и Hisense, а также японская Sony. Последняя уже выпустила LCD-телевизоры, изготовленные по технологии квантовых точек, о чем я упоминал в описании технологии Quantum dot LED.

Современный мир переполнен всевозможной информацией. Особенно интересует людей область медицинских открытий. Частенько можно услышать о таком диво-приборе, как очки Панкова. Отзывы очень многих практиков довольно обнадеживающие, но есть и не такие уж радужные впечатления, как обещает реклама аппарата. Что же представляют собой чудодейственные очки, и в чем заключается суть их применения в области восстановления зрения взрослых и детей?

Методика воздействия на глаза квантовых очков профессора Панкова

Суть инновационной методики лечения глаз Панкова заключается в восстановлении зрения с помощью воздействия на сетчатку глаза цветного излучения. Строение человеческого ока таково, что оно различает цвета согласно импульсу головного мозга на определенные нервные окончания. Когда на глаза воздействуют в быстром темпе различные цветовые излучения, возбуждаются все ткани и нервные окончания, улучшается кровоснабжение и происходит оживление тех участков, которые, казалось бы, уже не выполняют свою функцию.

Новый аппарат, применяемый во многих медицинских центрах по восстановлению зрения, имеет положительные отзывы. Очки Панкова, как считают многие специалисты в сфере офтальмологии и цветотерапии, заслуживают внимания тех людей, которые теряют зрение или имеют побочные эффекты от работы за компьютером.

По своей сути квантовые очки Панкова - тренажерный стимулятор, который улучшает физиологическое предназначение каждой составляющей глазного аппарата. Очень много мнений сегодня сосредоточено вокруг темы, что же собой представляют квантовые очки Панкова. Отзывы бывают как лестными, так и отрицательными.

Где можно почерпнуть подробную информацию о приборе Панкова?

Перед тем как проект прибора был утвержден и разрешен для массового выпуска с целью применения в медицинской сфере для лечения зрения людей, автор - профессор Панков - написал интересный труд по теме возможностей восстановления зрения именно с помощью воздействия на глаза всех оттенков радуги.

Как выглядят очки Панкова, отзывы о данном приборе можно найти без особых проблем. Но в противоречивой информации от разных продавцов не всегда можно конкретно понять, что же все-таки лечит данный прибор и как его применять. Поэтому в большинстве случаев те, кому действительно необходима помощь в восстановлении своего зрения, обращаются за пояснениями к книге профессора, описывающей физиологическое значение каждого цвета, - «Радуга прозрения». Очки Панкова, отзывы о них имеют прямое отношение к книге.

Сегодня рынок медицинских приборов переполнен подделками, инструкции продаваемых аппаратов почти в каждом втором случае включают описания из авторского источника, но они не совсем конкретные касаемо применения их на практике.

В книге описаны методы воздействия на освещения, которое является разминкой. Но не всегда упражнения, например наблюдение за рыбками в аквариуме с цветным освещением, дает эффект. А вот заслуженное признание за счет ритмичности своей работы получил созданный автором прибор - очки профессора Панкова. Отзывы, безусловно, не могут дать детального ответа по поводу эффективности прибора. Чтобы получить достоверную оценку очков для восстановления зрения, нужно еще знать и мнение профессиональных офтальмологов.

Без назначения офтальмолога аппарат не применяется на практике. Эффект от него может профессионально оценить только специалист.

Влияние очков на восстановление зрения

Очки Панкова воздействуют на глаза таким образом:

• за счет подаваемых световых сигналов происходит массаж глазных мышц; снимается спазм зрачка, который во время тренировки то сужается, то расширяется;

• за счет ритмичной работы глазного аппарата улучшается отток внутриглазной жидкости, и передняя камера глаза получает колебание глубины восприятия изображения;

• сокращение мышц улучшает кровообращение, за счет чего происходит эффективная микроциркуляция в сетчатке глаза, улучшается питание всех тканей, поэтому и улучшается зрительное восприятие.

В большинстве случаев положительные отзывы очки Панкова заслуживают при использовании в качестве тренажера для профилактики незапущенных заболеваний глаз, а также для тренировки зрения людей, профессиональная сфера деятельности которых связана с большой нагрузкой на зрение: компьютерщиков, бухгалтеров, кассиров, научных сотрудников, летчиков.

Очки Панкова назначаются офтальмологом при начальной степени катаракты, астенопии, амблиопии, прогрессирующей миопии, глаукоме, косоглазии, близорукости, развитой дальнозоркости, дистрофии сетчатки.

Если ориентироваться на положительные отзывы, очки Панкова рекомендуется также применять для профилактики осложнений в послеоперационный период, если хирургическое вмешательство было проведено в области глаз.

Факторы, обуславливающие использование очков

• Анализируя все отзывы, очки Панкова следует применять в качестве тренажера офисным работникам, которые не имеют фактически перерывов в своей работе во время обработки данных на компьютерной технике.
• Положительно о приборах отзываются и студенты, которым приходится и днем, и ночью напрягать зрение за чтением книг.
• Полезны очки Панкова и тем, кто вместо обычных очков носит современные линзы, от которых устают глаза и часто краснеют.
• Во многих ситуациях врач-офтальмолог выписывает тренинги аппаратом, если уверен в угрозе развития того или иного заболевания глаз.
• Особенно полезно применение прибора при поставленном специалистом диагнозе - спазм аккомодации.

Возможные противопоказания применения инновационного тренажера для зрения

Не разрешено использование прибора Панкова при сильных воспалительных процессах глаз, психических заболеваниях, онкологии, заболеваниях центральной нервной системы, беременности, тяжелых формах сахарного диабета, туберкулезе легких, восстановлении после инфаркта или инсульта, а также не рекомендуется практика на детях младше трех лет.

Все "за" и "против" применения прибора для восстановления зрения

Как уже указывалось выше, очень многие, кому довелось столкнуться с очками Панкова на практике, отмечают положительный эффект после прохождения курса лечения под наблюдением врача-офтальмолога. Количество пациентов детского возраста в общем соотношении превышает число больных средней и пожилой возрастной категории. Практика говорит о важности исправления в раннем возрасте.

Люди, которые решили применять прибор без назначения врача, эффект не могут оценить профессионально, поэтому и много негативных отзывов, которые связывают это открытие не с чем иным, как с шарлатанством.

Советы профессиональных офтальмологов по поводу применения очков Панкова

Каждый офтальмолог, прежде чем назначить курс лечения очками Панкова, всегда перед этим ставит четкий диагноз. Прибор может не давать положительных сдвигов к улучшению состояния зрения, если болезнь слишком запущена. Очки Панкова можно применять только после медикаментозного лечения, после снятия воспалений.

Где можно приобрести очки Панкова?

Чего точно не следует делать, исходя из выше сказанного, так это приобретать прибор через Интернет-магазины. Причина этому - очень много подделок эффективного медицинского аппарата и очень много рекламы.

Причем реклама аппарата в большей степени акцентирует внимание покупателя не на его тренажерном предназначении, а на лечебных свойствах. Особенно активно очки Панкова предлагаются на сайтах мегаполисов. Так, для примера была проведена оценка мнений о данном аппарате жителей Санкт-Петербурга, которые удосужились приобрести его через виртуальных продавцов и испытать на практике. Если изучать эти отзывы, очки Панкова (Спб - не единственный регион, жители которого попались на уловки рекламщиков) вызвали очень много негативных характеристик и недоверия к данной инновации.

Так что восстанавливать свое зрение стоит посещая офтальмолога, а если и покупать прибор, то только по рекомендации компетентного доктора, который уж точно плохого не посоветует.