Les høyt Tiny krystaller, som består av bare noen få atomer, kan skreddersys. Disse "kvanteprikkene" kunne forbedre solceller, lasere og kryptografi betydelig.

Med en iøynefallende film ønsker oppstarten Nanosys og teknologipartneren 3M å gjøre fargenes verden på fargene mer fargerik. En iøynefallende bar er ved oppstarten QD Vision og partneren Sony, men intensjonen er den samme. I begge tilfeller bør teknologiene integreres i bakgrunnsbelysningen til LCD-skjermer for flytende krystall for å forbedre fargenes kvalitet. Fordi de renere primærfargene røde, grønne og blå er, desto mer strålende blir det resulterende bildet av deres blanding.

Tydeligere farger kan oppnås ved at de ansvarlige strålingskildene avgir lyset sitt så smalt som mulig - for eksempel ikke hele kanonen fra knallrød til mørkerød, men en enkel nyanse av rød med en viss bølgelengde. De forskjellige røde nyansene blir da "blandet" bare fra de tre grunnfargene. Sony har allerede brakt et slikt fjernsyn på markedet. Og rykter om markedsdebuten til en fremtidig smarttelefonskjerm med 3Ms nye teknologi har sirkulert siden tidlig i 2014.

Den forbedrede fargegjengivelsen er muliggjort av bittesmå krystaller. De består av bare noen få atomer - vanligvis 1000 til 10 000. Som et resultat er krystallene bare noen få nanometer i størrelse og usynlige for et optisk mikroskop. De såkalte kvanteprikkene er så små at de ikke oppfører seg som vanlige små faste stoffer, men som atomer: Hvis lys faller på dem, kan de bare absorbere visse bølgelengder, det vil si farger, og sende dem ut igjen - som et atom. Fargen avhenger av størrelsen og formen på kvanteprikken. Enkelt sagt, en mindre kvanteprikk avgir blått lys i stedet for et rødt.

Alt materiale som er lite nok oppfører seg i prinsippet som en kvanteprikk. I forskning og anvendelse spiller spesielt kvanteprikker laget av halvledermaterialer en viktig rolle. Når det gjelder skjermer, er kvanteprikkene til stede som nanopartikler i et bæremedium, og det er derfor de blir referert til som kolloidale kvanteprikker. utstilling

Små pyramider, som du ønsker

Den første kommersielt vellykkede påføringen av slike kolloidale kvanteprikker var fluorescerende fargestoffer for biologisk forskning. Disse stoffene, som forskerne kjøper fra spesialiserte selskaper, reagerer spesifikt med visse molekyler, for eksempel proteiner, som for eksempel bidrar til å belyse cellulære fysiologiske mekanismer. En annen viktig applikasjon er kvanteprikker som er innebygd i et fast stoff - en annen halvleder.

Dieter Bimberg og hans stab har arbeidet med denne tilnærmingen i mange år ved TU Berlin. "Kvanteprikker kan skreddersys, det er det som gjør dem spesielle, " sier fysikkprofessor og utøvende direktør for Center for Nanophotonics. I laboratoriene til Berlin-forskerne lykkes denne spesifikke skreddersøm med prosesser som også hjelper til med produksjon av datamaskinbrikker. Bimberg og kollegene lar små pyramidale strukturer, kvanteprikkene, vokse på en støtte. "Prosessene våre kan variere størrelse, form og tetthet, " sier Bimberg.

Dette er interessant for grunnleggende forskning, men har også veldig praktiske implikasjoner. For eksempel ville dagens utbredte blå og grønne LED-er uten innebygde kvanteprikker ikke være praktisk: "Slike LED-er er basert på nitrid-halvledere, hvis krystallstruktur dessverre har mange defekter - dette reduserer effektiviteten og forkorter levetiden til lysdiodene. Kvanteprikker hjelper til med å forhindre fangst av ladningsbærere ved defekter, "sier Bimberg.

Enda mer: Hvis du velger riktig blandingsforhold for materialene, dannes kvanteprådene automatisk under produksjonen, som er et stort salgsargument når det gjelder produksjonsteknologi. En spennende konstellasjon: På den ene siden har kvanteprikker vært i produkter i godt over ti år - LEDs for søkeord. På den annen side kommer helt andre tekniske implementeringer av dem bare ut på markedet - søkeordskjermer. I tillegg har nanokrystallene et enda større teknisk potensiale som ennå ikke er utnyttet. Solceller, lasere, datalagring og kryptografi kan dra nytte av dem.

Photovoltaic forskning handler om å bruke sollys så effektivt som mulig for strømproduksjon - for eksempel å bruke flere solceller. Dette er cellebunker laget av forskjellige materialer. Hvert materiale er følsomt for et annet bølgelengdeområde for sollys, noe som øker energiutbyttet. Men problemet er de høye kostnadene, fordi de nødvendige halvledermaterialene er betydelig dyrere enn silisium, standardmaterialet til fotovoltaikk.

Kvanteprikker kan hjelpe her: Deres størrelse kan velges slik at de absorberer i riktig bølgelengdeområde og samtidig er veldig effektive i tilstrekkelig tett arrangement og som transportlag f Dier betjener de resulterende ladningsbærere. Når de brukes på en silisiumsolcelle, øker effektiviteten deres.

Massachusetts Institute of Technology forskere oppnådde om lag 9 prosent effektivitet i laboratoriet i fjor med en slik tilnærming. Dette er fremdeles lang vei fra de teoretisk mulige 30 prosentene, som allerede kan oppnås med vanlige silisiumsolceller, men minst to prosentpoeng mer enn for to år siden. Og det er enda flere ideer om hvordan forskjellige solcelle-teknologier kan forbedres med kvanteprikker.

Den hellige gral av energieffektivitet

Halvlederlasere har også fordel av kvanteprikker. En avgjørende faktor for en laser er dens terskelstrøm. Det er et mål på hvor mye elektrisk kraft du i utgangspunktet må legge inn for å få laserstråling i det hele tatt. Jo lavere denne strømmen er, desto mer effektivt kan en laser betjenes. Lasere basert på kvanteprikker ville være noe som den hellige gral av energieffektivitet.

Det er allerede de første lasere av denne typen for telekommunikasjon de er installert i Asia for fiberoptikk for signaloverføring. Men potensialet er langt fra oppbrukt. For eksempel kan lasere dra fordel av kvanteprikkene i optiske datamaskintilkoblinger, i skannerkassa, i CD-spillere eller i sveiseenheter.

For solceller og lasere spiller til og med hele ensembler av kvanteprikker den avgjørende rollen. Datalagring og kryptografi er avhengig av individuelle kvanteprikker. Utviklingen innen halvlederelektronikk de siste 50 årene har bare pekt i en retning: til stadig mindre strukturer. Imidlertid bidrar færre og færre ladningsbærere til en lagret bit som tilsvarer 0 og 1 i den aritmetiske logikken. I prinsippet tillater kvanteprikker disse 0 og 1 å lagres med bare en ladningsbærer. Mindre er ikke mulig.

Futuristisk minnebrikke

Slik kan en futuristisk minnebrikke utformes. Den ble designet for å kombinere fordelene med en Dynamisk tilfeldig minneminne (DRAM) -brikke, som fungerer som datamaskinminne, med en blits som fungerer som en datalager i smarttelefoner og kameraer. I DRAMs kan data lagres raskt, men disse brikkene trenger alltid strøm for å oppdatere informasjonen. Blitz kan inneholde data i minst ti år uten jevn strømforsyning, men er relativt treg å spare. De første eksperimentene i laboratoriet foregår allerede med slike kvanteprikkminner. Men det er fremdeles en lang vei å gå.

Her skal vi være i stand til å adressere kvanteprikker elektrisk en etter en og multiplisere lagringstiden deres som kan oppnås i dag. For øyeblikket er det i størrelsesorden 100 sekunder med rask tilgangstid ", kommenterer Dieter Bimberg. Tross alt: Begge ser ut til å være mulig prinsipielt i henhold til dagens kunnskap.

Bruken av kvanteprikker i kryptografi er fremdeles en fremtidsvisjon. Forskning pågår over hele verden for å gjøre elektronisk kommunikasjon pålitelig. Det sentrale elementet i slik kryptografi er en strålingskilde som kan levere et enkelt foton. Den ville fungere som en avsenderenhet, sier Bimberg. Konvensjonelle strålekilder kan ikke gjøre dette, selv om de bare er slått på på veldig kort tid. I laboratoriet har Bimberg og hans medarbeidere produsert en så enkelt foton lyskilde bestående av en enkelt kvantepunkt.

For å skape stabile forhold, må Berlin-forskerne bruke sin kilde under 200 grader. Dette er selvfølgelig et hinder for kryptografi i hverdagen. Men i fjor lyktes det japanske forskere fra Tokyo University med å bruke et annet materialsystem for å betjene en kvantprikk som en enkeltfotonkilde i laboratoriet ved romtemperatur. •

av Michael Vogel

Godt å vite: kvanteprikker

Kvanteprikker består av så få partikler at de oppfører seg som et atom, ikke et fast stoff. I et atom er det bare visse energinivåer som et elektron kan oppta. Disse nivåene tilsvarer skjellene i Bohr-atommodellen. Ved innfallende lys av den aktuelle energien, kan et elektron løftes til en høyere bane i en viss tid - hvis elektronet sender fotonet ut igjen, faller det tilbake til den nedre bane. I kontrast, i en halvleder - som et eksempel på et fast stoff - er disse energinivåene så tett sammen på grunn av de mange elektronene at de danner et bånd. Hendelseslys kan da løfte et elektron fra det dypere båndet (valensbåndet) til det øvre båndet (ledningsbåndet). Når dette elektronet avgir et foton, faller det tilbake i valensbåndet. Kvanteprikker er så små at de bare har enkle energinivåer som et atom. Derfor kalles kvanteprikker også kvasi-atomer.

Et av de eldste eksemplene på bruk av kvanteprikker er fargerike glass, slik de finnes i kirkevinduer eller i pyntegjenstander av beger. For det var allerede kjent for 2000 år siden at glass kan farges intenst ved tilsetning av ørsmå mengder gull. I tillegg til riktig temperaturbehandling, var den avgjørende faktoren at gullet var til stede i ørsmå partikler - som kvanteprikker. Disse nanopartiklene bestemmer etter deres størrelse hvilken del av sollyset de svelger - og lyser sterkt i den komplementære fargen.

kompakt

· Kvanteprikker er nanopartikler som bare består av 1000 til 10 000 atomer. De oppfører seg som atomer, ikke som faste stoffer.

· Egenskapene deres kan tilpasses størrelse, form og tetthet avhengig av bruken.

· De er allerede satt inn i lysdioder og sikrer rene farger der.

Mer om dette emnet

lese

Omfattende forskningsoversikt og status for søknader: Zhiming Wang (red.) Quantum Dot Devices Springer, Heidelberg 2012 € 118, 99

Gjennomgå artikkel om kolloidale kvantepunkter: Jin Young Kim et al., Colloidal Quantum Dot Materials and Devices: A Quarter-Century of Advances Advanced Materials Vol. 25, s. 4986-5 010 (2013)

Internett

Videoer som illustrerer fordelene med kvanteprikker i skjermer: www.youtube.com/watch?v=b1OaUsF1dcQ#t=81 www.youtube.com/watch?v=iZMEQmVaRcY vimeo.com/43420952.

Uten tittel

MICHAEL VOGEL er frilansvitenskapelig journalist og vanlig bdw-skribent. Senest rapporterte han om "Grep i tannen" (11/2014).

© science.de

Anbefalt Redaksjonens