Οι κβαντικές κουκκίδες είναι κρύσταλλοι σε κλίμακα νανόμετρου, ικανοί να εκπέμψουν φως διαφορετικών χρωμάτων. Οι οθόνες που βασίζονται στις κβαντικές κουκκίδες υπόσχονται βελτιωμένη ενεργειακή απόδοση, φωτεινότητα και καθαρότητα χρώματος από τις προηγούμενες γενιές οθονών. Από τα τρία χρώματα που απαιτούνται για την προβολή έγχρωμων εικόνων -κόκκινο, πράσινο και μπλε- το τελευταίο είναι και το πιο δύσκολο να παραχθεί.
Μια νέα μέθοδος, η οποία στηρίζεται σε αυτοοργανωμένες χημικές δομές, προσφέρει ταυτόχρονα μια λύση αλλά και μια τεχνική απεικόνισης αιχμής. Μία τεχνική “κινηματογράφησης” των νέων κβαντικών κουκκίδων, η οποία αποδείχθηκε απαραίτητη για τη δημιουργία και ανάλυσή τους.
Εάν κοιτάξτε προσεκτικά την οθόνη της συσκευής σας, ίσως μπορέσετε να δείτε τα εικονοστοιχεία (pixel), που συνθέτουν την εικόνα. Τα pixel μπορούν να εμφανίσουν σχεδόν κάθε χρώμα, στην πραγματικότητα, όμως, δεν αποτελούν το μικρότερο στοιχείο της οθόνης σας, καθώς συνήθως αποτελούνται από υπο-εικονοστοιχεία (subpixels), τα οποία είναι κόκκινα, πράσινα και μπλε. Η μεταβλητή ένταση αυτών των subpixels δίνει στα μεμονωμένα pixel την δυνατότητα εμφάνισης εκατομμυρίων διαφορετικών χρωμάτων.
Η τεχνολογία που κρύβεται πίσω από τα subpixels έχει εξελιχθεί αρκετά από την εποχή της πρώιμης έγχρωμης τηλεόρασης, προσφέροντάς μας σήμερα μία πληθώρα επιλογών. Όμως, απ’ ό,τι φαίνεται, το επόμενο μεγάλο άλμα αφορά τις κβαντικής κουκκίδας διόδους εκπομπής φωτός ή QD-LED.
Τέτοιου είδους οθόνες (QD-LED) υπάρχουν ήδη, η τεχνολογία όμως δεν έχει ωριμάσει αρκετά, και οι τρέχουσες επιλογές εμφανίζουν ορισμένα μειονεκτήματα ειδικά όσον αφορά στα μπλε subpixels. Από τα τρία βασικά χρώματα, τα μπλε subpixels είναι τα πιο σημαντικά. Το μπλε φως είναι αυτό που χρησιμοποιείται -μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται “down-conversion”- για τη δημιουργία πράσινου και κόκκινου φωτός. Εξαιτίας αυτού απαιτείται μεγαλύτερος έλεγχος των φυσικών παραμέτρων των μπλε κβαντικών κουκκίδων.
Αυτό σημαίνει ότι η ποιότητα των μπλε κβαντικών κουκκίδων αποτελεί κρίσιμο παράγοντα στις οθόνες, όμως σημαίνει επίσης ότι η παραγωγή τους είναι ιδιαίτερα πολύπλοκη και δαπανηρή. Μία ομάδα ερευνητών, με επικεφαλής τον καθηγητή Eiichi Nakamura από το Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου του Τόκιο, έρχεται τώρα με μια λύση.
«Οι προηγούμενες στρατηγικές σχεδίασης για τις μπλε κβαντικές κουκκίδες αφορούσαν προσεγγίσεις “από πάνω προς τα κάτω” (top down)· οι ερευνητές ξεκινούσαν με σχετικά μεγάλες χημικές ουσίες και στην συνέχεια τις υπέβαλαν σε μια σειρά διαδικασιών, ώστε να τις ραφινάρουν σε κάτι που λειτουργεί», λέει ο Nakamura.
«Η δική μας στρατηγική δουλεύει από κάτω προς τα πάνω. Στηριχτήκαμε στις γνώσεις της ομάδας μας για την αυτοοργάνωση χημικών δομών, ώστε να ελέγξουμε με ακρίβεια τα μόρια μέχρι αυτά να σχηματίσουν τις δομές που θέλουμε. Σκεφτείτε ότι χτίζετε ένα σπίτι με τούβλα αντί να το σκαλίσετε από μία μεγάλη πέτρα. Είναι πολύ πιο εύκολο να να είστε ακριβείς, να το σχεδιάστε με τον τρόπο που θέλετε και επίσης είναι πιο αποτελεσματικό και οικονομικό.»
Αλλά εκπληκτικός δεν είναι μόνο ο τρόπος, με τον οποίο η ομάδα του Νακαμούρα παρήγαγε την μπλε κβαντική κουκκίδα της. Εξίσου εντυπωσιακό είναι το γεγονός πως όταν αυτή εκτίθεται σε υπεριώδες φως, παράγει ένα σχεδόν τέλειο μπλε φως, σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο για τη μέτρηση της ακρίβειας των χρωμάτων, γνωστό ως BT.2020. Αυτό οφείλεται στη μοναδική χημική σύνθεση της κουκκίδας, ένα υβριδικό μείγμα οργανικών και ανόργανων ενώσεων, όπως ο περοβσκίτης μολύβδου, το μηλικό οξύ και η ολεϊλαμίνη. Και είναι μόνο η αυτο-οργάνωση, αυτή που μπορεί να φέρει τις ενώσεις στην απαιτούμενη μορφή, η οποία είναι ένας κύβος αποτελούμενος από 64 άτομα μολύβδου – τέσσερα σε κάθε πλευρά.
«Προκαλεί έκπληξη το ότι μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που συναντήσαμε ήταν το να βρούμε πως το μηλικό οξύ αποτελεί στοιχείο-κλειδί για το χημικό μας παζλ. Χρειάστηκε περισσότερο από ένα έτος μεθοδικών δοκιμών για να το ανακαλύψουμε», εξηγεί ο Nakamura.
«Λιγότερο αναπάντεχο, ίσως, ήταν το ότι η έτερη κύρια πρόκληση που συναντήσαμε αφορούσε τον προσδιορισμό της δομής της μπλε κβαντικής κουκκίδας μας. Στα 2,4 νανόμετρα -ένα μήκος 190 φορές μικρότερο από το μήκος κύματος του μπλε φωτός που επιδιώξαμε να δημιουργήσουμε με αυτήν- η δομή μιας κβαντικής κουκκίδας δεν μπορεί να είναι απεικονιστεί από συμβατικά μέσα. Έτσι, στραφήκαμε σε ένα εργαλείο απεικόνισης, για το οποίο ορισμένοι από την ομάδα μας ήταν πρωτοπόροι, γνωστό ως SMART-EM ή “κινηματογραφική χημεία” (Cinematic chemistry), όπως μας αρέσει να το αποκαλούμε.»
Η κινηματογραφική χημεία αποτελεί μια εξέλιξη της απεικόνισης μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου, η οποία μοιάζει περισσότερο με λήψη βίντεο παρά με λήψη ακίνητης εικόνας. Αυτό είναι απαραίτητο για την καταγραφή των λεπτομερειών της δομής της μπλε κβαντικής κουκκίδας, καθώς ο νανοκρύσταλλος στην πραγματικότητα εμφανίζει ιδιαίτερα δυναμική συμπεριφορά, οπότε κάθε μεμονωμένη εικόνα θα διηγείτο ένα μικρό, μόνο, κομμάτι της ιστορίας του. Δυστυχώς, η μπλε κβαντική κουκκίδα είναι επίσης αρκετά βραχύβια -αν και αυτό ήταν αναμενόμενο- και έτσι η ομάδα τώρα στοχεύει στην βελτίωση της σταθερότητάς της, με συνεργασίες από τον βιομηχανικού τομέα.
Παραπομπές: "Precision synthesis and atomistic analysis of deep blue cubic quantum dots made via self-organization", Journal of the American Chemical Society (2022).
Πηγή: https://phys.org/
