Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Kropki kwantowe - podstawy i aplikacje w systemach oświetlenia

ghost666 02 Gru 2019 17:30 1173 4
  • Kropki kwantowe - podstawy i aplikacje w systemach oświetlenia
    Na łamach naszego forum wielokrotnie poruszany był temat kropek kwantowych. Wielu producentów, zwłaszcza systemów oświetlenia, diod LED czy np. wyświetlaczy do telewizorów i monitorów, sięga po te materiały, aby uzyskać lepszej jakości kolory, przy jednoczesnej wysokiej sprawności emisji światła. Jak jednak działają kropki kwantowe? Czym ich emisja wyróżnia je na tle np. diod elektroluminescencyjnych? W poniższym artykule postaram się skrótowo i w pewnym sporym uproszczeniu odpowiedzieć na te pytania.

    Kropki kwantowe to cząstki półprzewodnikowe o typowej średnicy od 2 nm do 10 nm. Są tak nazwane, ponieważ ze względu na swój niezwykle mały rozmiar, efekty kwantowe odgrywają znaczącą rolę w ich właściwościach optycznych. Kropki kwantowe emitują światło wykorzystując prosty mechanizm: pod wpływem zewnętrznego bodźca (może to być światło, energia elektryczna etc.) niektóre elektrony materiału z jakiego wykonane są kropki, pochłaniają energię wystarczającą do ucieczki swojej orbity (stanu podstawowego) na wyższą (do stanu wzbudzonego). Wyższe poziomy elektronowe w półprzewodnikach znajdują się w tzw. pasmie przewodnictwa, oddzielonym od niższych orbit (pasma walencyjnego) tzw. przerwą energetyczną. Tworzy to lokalny obszar przewodnictwa, w którym elektrony mogą przemieszczać się przez materiał, skutecznie przewodząc elektryczność. Gdy elektrony te opadają z powrotem na swoją orbitę atomową, energia jest uwalniana w postaci kwantu światła - fotonu, którego energia (a więc i kolor) zależny jest od ilości uwolnionej energii - różnicy pomiędzy energiami poszczególnych orbit elektronów.

    Ze względu na niewielki rozmiar kropek poziomy te są skwantowane - energia, jaka uwalniana jest przez elektrony jest stała dla danego rodzaju kropek, co powoduje, że one wszystkie świecą na taki sam kolor. Kolor jest zależny od materiału i wielkości kropki, przy czym dla danego materiału większe kropki (np. 5..6 nm) emitują fotony o niższej energii (tj. fotony czerwone i pomarańczowe), a mniejsze kropki (np. 2..3 nm), emitują fotony o wyższej energii ( tj. fotony niebieskie i fioletowe). Ta właściwość wynika wprost z faktu, że kropka kwantowa jest trójwymiarową studnią kwantową, co wiąże wymiary geometryczne studni (tutaj średnicę kropki) z energiami dyskretnych poziomów energetycznych. [Jeżeli interesuje Was tematyka układów niskowymiarowych i uwięzienia kwantowego, to dajcie znać - na Elektrodzie pojawić się może więcej tego rodzaju treści - przyp.red.]

    Kropki kwantowe - podstawy i aplikacje w systemach oświetlenia
    Różne kolory emisji (fotoluminescencji) z zawiesin kropek kwantowych - od fioletu do czerwieni. Istnieją też kropki kwantowe emitujące poza zakresem światła widzialnego.


    Ponieważ emisja światła z kropki jest monochromatyczna, kropki kwantowe mają wiele już istniejących i potencjalnych zastosowań, w tym w ogniwach słonecznych, do obrazowania medycznego, a nawet w obliczeniach kwantowych. Prawdopodobnie jednak są one najlepiej rozpoznawalne jako „Q” w telewizorach QLED. W tym zastosowaniu czerwone, zielone i niebieskie kropki kwantowe są ułożone warstwowo i zabezpieczone folią przed degradacją spowodowaną wpływem środowiska. Kropki kwantowe są stymulowane światłem z niebieskiego podświetlenia LED w celu emitowania monochromatycznej czerwieni, niebieskiego i zielonego, które są następnie łączone razem w celu uzyskania pożądanego koloru na ekranie. Ta metoda ma tę zaletę, że zmniejsza przenikanie lub nakładanie się zieleni i niebieskiego, a także zmniejsza pochłanianie światła przez filtry barwne, co skutkuje lepszą gamą żywszych kolorów.

    W przeciwieństwie do zachowania kropek, w diodach LED, w miarę przykładania prądu do półprzewodnika, emitują one fotony w obszarze między warstwami typu N i typu P w diodzie, gdzie elektrony i dziury ulegają rekombinacji. Zróżnicowanie początkowych poziomów energii emitowanych fotonów w połączeniu ze stratami poniesionymi przy tym, jak fotony emitowane są z różnych głębokości materiału półprzewodnikowego, skutkują większą szerokością widma emitowanego światła w porównaniu do kropek kwantowych.

    Większość produktów do ogólnych zastosowań oświetleniowych wytwarza białe światło, przepuszczając niebieskie światło ze źródła LED przez materiały luminoforowe, tworząc kombinację długości fali niebieskiego i żółtego oraz pomarańczowego lub czerwonego, które ludzkie oko postrzega razem jako białe. Chłodniejsze białe światło powstaje przy użyciu żółtych luminoforów, podczas gdy cieplejsze białe światło jest tworzone przy użyciu pomarańczowych i/lub czerwonych luminoforów. Czerwone luminofory mają tę wadę, że emitują także pewną energię w dalekiej czerwieni, czy nawet podczerwieni, o dosyć dużej długości fali - nie jest ona widoczna dla ludzkiego oka, co skutkuje zmniejszoną sprawnością (liczbą lumenów na wat mocy elektrycznej) takiego pakietu LED.

    Dodanie czerwonych kropek kwantowych do żółtego luminoforu eliminuje ten problem, pozwalając na większą zawartość czerwonych składowych w widmie, bez utraty sprawności oświetlenia. Jednak do niedawna stosowanie kropek kwantowych było nieopłacalne ze względu na ich niestabilność w lokalnym środowisku diod LED. Wraz z wprowadzeniem diody Osconiq S 3030 QD LED od OSRAM, firma pokazuje, że znalazła rozwiązanie tego problemu poprzez kapsułkowanie kropek kwantowych. Każda kropka osadzona w luminoforze diody LED składa się w rzeczywistości z wielu mniejszych cząstek, tworząc rdzeń emitujący kolor czerwony, otoczonych specjalną warstwą ochronną. Dzięki nowej technologii enkapsulacji sprawność pakietu Osconiq S 3030 QD jest o około 20% lepsza niż porównywalnych diod oświetleniowych.

    Kropki kwantowe - podstawy i aplikacje w systemach oświetlenia
    Po prawej stronie widzimy widmo emisji nowego oświetlenia LED od OSRAMa. Warto zwrócić uwagę, że w widmie wyjściowym Osconiq S 3030 QD nadal jest trochę marnowanej energii w postaci emisji w dalekiej czerwieni. Można to naprawić, zmieniając „przepis” w taki sposób, że wykorzysta się jeszcze więcej kropek kwantowych. Ponieważ jednak kropki są wykonane z kadmu - metalu ciężkiego, który jest objęty regulacjami np. RoHS - ich ilość jest ograniczona. Obecnie trwają badania nad materiałami alternatywnymi, których nie ogranicza dyrektywa RoHS.

    Źródło: https://www.edn.com/electronics-blogs/led-diva/4462162/Quantum-dots-explained[/quote]

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9436 postów o ocenie 7364, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #4
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    szeryf3 napisał:
    @ghost666 jeżeli możesz to napisz jeszcze podobny artykuł.


    Masz na myśli artykuły o strukturach niskowymiarowych? Jak fizyka kwantowa Wam nie straszna to z przyjemnością :).


    ArturAVS napisał:
    Mnie ciekawi, jak rozwinie się technologia laserów półprzewodnikowych oparta na kropkach. Zaczątki już są; http://efizyka.net.pl/pierwszy-laser-vcsel-na-koloidalnych-kropkach-kwantowych
    Zapewne sprawność i wydajność będzie o wiele większa niż "zwykłych" laserów półprzewodnikowych. Laser o mocy CW 1kW w kieszeni ? Kto wie...


    Koloidalne kropki kwantowe? Nie szedł bym tą drogą ;) one mają mizerną wytrzymałość długoczasową. Szybciutko zaczną się wypalać, szczególnie w takich warunkach - dużego wzbudzenia i emisji wymuszonej. Ich przewaga jest taka, że mają wysoką energię wiązania ekscytonu, więc mogą funkcjonować w temperaturze pokojowej (nie trzeba chłodziarki helowej do lasera), ale nadal - 1 kW w kieszeni? A czym pompowany? To działa jak laser barwnikowy i jest pompowany optycznie generalnie...
  • #5
    ArturAVS
    Moderator HydePark/Samochody
    ghost666 napisał:
    ale nadal - 1 kW w kieszeni? A czym pompowany?

    Oddechem użytkownika :-) . Może trochę fantazja mnie poniosła... Ale znając życie, to i tak nowości w dziedzinie kropek kwantowych przejmie wojsko, widząc zastosowanie militarne.
    Wdzięczny byłbym za artykuł na temat właśnie kropek w laserach. Ty, jako fizyk zapewne najlepiej rozjaśnisz temat w sposób zrozumiały dla wszystkich.