Quantenpunkte und Photonik

Wir schreiben diesen Artikel heute, um den Preisträgern des Nobelpreises für Chemie 2023 zu gratulieren, der an Moungi Bawendi, Louis Brus und Alexei Ekimov verliehen wurde, da sie ein einzigartiges neues Material entdeckt und entwickelt haben:Quantenpunkte.

Quantenpunkte sind Partikel mit einem Durchmesser von wenigen bis zu mehreren zehn Nanometern. Sie werden als Quantenpunkte bezeichnet, weil ihre geringe Größe dazu führt, dass das Quantenverhalten der Elektronen in diesen winzigen Nanokristallen teilweise von der Partikelgröße abhängt und nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung. Da sie zudem in verschiedenen Größen hergestellt werden können, lassen sich auf diese Weise Materialien mit individuell anpassbaren elektronischen Eigenschaften erzeugen. Wenn das gewählte Material Licht absorbiert und/oder emittiert, können so Materialien mit maßgeschneidertenLicht. Unsere Laser werden üblicherweise zur Untersuchung und Messung dieser photonischen Eigenschaften eingesetzt.

Da Quantenpunkte ein individuell anpassbares Photonenverhalten bieten, finden sie bereits in kommerziellen Produkten Anwendung und werden in zahlreichen wissenschaftlichen Disziplinen eingesetzt, von der Physik über die Chemie bis hin zur Medizin. Bei der Herstellung einiger dieser Produkte kommen Laser zum Einsatz; wir werden später ein Beispiel vorstellen, bei dem Laser direkt eine Rolle spielen, doch lassen Sie uns zunächst einen Blick darauf werfen, wie Quantenpunkte funktionieren.

Die Funktionsweise von Quantenpunkten – „Teilchen in der Box“ 

Die Quantenmechanik lehrt uns, dass sich extrem kleine Objekte wie Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen verhalten. Wenn eine Welle gewissermaßen in einer Box eingeschlossen ist (wenn man so will), bestimmt die Größe der Box die zulässige Wellenlänge. Eine große Box bietet mehr Raum und ermöglicht längere Wellen. Eine kleine Box bietet weniger Raumund unterstützt nur kürzere Wellen. In Chemievorlesungen für Studienanfänger wird dieses einfache theoretische Modell als „Teilchen in der Box“ bezeichnet, doch wäre die Bezeichnung „Welle in der Box“ passender. Eine weitere, einfachere und anschaulichere Analogie sind die von einer Orgel erzeugten Schallwellen. Je länger die Pfeifen sind, desto länger sind die Schallwellen, was bedeutet, dass die Frequenz niedriger ist und wir einen tieferen Ton hören. Je kürzer die Pfeifen sind, desto kürzer sind auch die Schallwellen, was höhere Frequenzen und höhere Töne bedeutet.

Was bedeutet das für die photonischen Eigenschaften von Quantenpunkten? Bei Materialien, die Licht absorbieren, wie beispielsweise Cadmiumsulfid, weisen größere Punkte ähnliche Absorptionseigenschaften wie das Volumenmaterial auf. Wenn die Punkte jedoch immer kleiner werden,verschiebt sich die Absorptionskurve zu kürzeren Wellenlängen, d. h. in Richtung Blau. Ähnlich verhält es sich bei Materialien, die absorbiertes Licht als Fluoreszenz wiederabgeben, wie beispielsweise bestimmte Perowskit-Materialien: Größere Punkte weisen ähnliche Emissionseigenschaften wie das Blockmaterial auf. Wenn die Punkte jedoch kleiner werden, verschiebt sich das emittierte Licht in Richtung Blau.

Quantenpunkte und Display-Technologie

Die Möglichkeit, die Lichtabsorptions- und -emissionseigenschaften von Materialien durch die Bildung von Quantenpunkten bestimmter Größe zu steuern, bedeutet, dass diese als Farbwandler eingesetzt werden können.Dies wird die Rolle herkömmlicher Leuchtstoffe in Anwendungen wie Displays ersetzen.Wir kennen Coherent sehr gut, daunsere Laserin mehreren wichtigen Fertigungsprozessen zum Einsatz kommen, darunterdas Tempern von amorphem Silizium bei niedrigen Temperaturen, das normalerweise die Schaltkreise der Rückwand bildet, das Bearbeiten von Polarisationsfiltern sowie der Massentransfer in den neuesten µLED-Displays.

Im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffen bieten Quantenpunkte eine höhere Lichtausbeute und ermöglichen so eine hellere Bilddarstellung. Darüber hinaus kann ihr Emissionsspektrum (Farbverteilung) sehr schmal sein, wodurch RGB-Displays einen größeren Farbraum aufweisen.

Quantum-Dots werden bereits seit fast zehn Jahren in Fernsehbildschirmen eingesetzt und sind heute allgemein als QLED-Fernseher bekannt. Es handelt sich dabei um LCD-Bildschirme, bei denen die Dots in einer dünnen Schicht eingebettet sind und das Licht, das auf die Dots fällt, von einer LED-Hintergrundbeleuchtung bereitgestellt wird.QLED-Fernseher gehören derzeit zu den beliebtesten Fernsehmodellen, da sie eine ansprechende Bildqualität zu geringeren Kosten bieten als OLED-Bildschirme, bei denen jedes Pixel eine Leuchtdiode ist. Es gibt noch eine weitere Variante, die als QD-OLED bezeichnet wird. Dabei werden Quantenpunkte erneut als Farbkonverter bzw. -verstärker eingesetzt, was im Vergleich zu OLED allein die Farbqualität des Bildes verbessert.

Eine aufstrebende Display-Technologie ist die sogenannte Micro-LED-Technologie. Bei Displays, die diese Technologie nutzen, befindet sich in jedem Pixel eine anorganische LED, die jedoch wesentlich kleiner ist als das Pixel selbst. Dies bringt einige wesentliche Vorteile mit sich. Erstens können Micro-LED-Bauteile nur wenige Mikrometer groß sein, sodass sie in hoher Dichte auf Wafern massenhaft hergestellt werden können und die Stückkosten sehr niedrig sind.Zweitens kann der große ungenutzte Bereich in jedem Pixel für Sensoren oder andere Zwecke in zukünftigen AR/VR-Anwendungen genutzt werden. Die größte Herausforderung bei der Herstellung dieser Displays besteht darin, Hunderte Millionen von Mikro-LEDs innerhalb weniger Minuten zu übertragen und präzise zu platzieren.Coherent hierfür eine intelligente, mechanikfreie MethodeCoherent , die wir UVtransfernennen. 

Wo befinden sich nun die Quantenpunkte in microLED-Displays? Wie sich herausstellt, gibt es bereits zwei Arten von microLED-Displays. Bei der ursprünglichen Variante enthält jedes Pixel drei LEDs – eine rote, eine grüne und eine blaue. Bei der anderen Variante kommen ausschließlich blaue LEDs zum Einsatz, wobei Quantenpunkte als Farbkonverter für Rot und Grün dienen. Letztere Variante überwindet die Einschränkungen, die sich aus der geringeren Lichtausbeute roter microLEDs ergeben.

Quantenpunkte: Neue wissenschaftliche Anwendungen

Ingenieure und Wissenschaftler aus verschiedenen anderen Bereichen setzen Quantenpunkte für eine Vielzahl neuer Anwendungen ein, darunter auch einige bildgebende Verfahren zur Visualisierung von Krebserkrankungen. Quantenpunkte befinden sich jedoch noch in den Anfängen, und es besteht noch viel Grundlagenforschung, um zu verstehen, wie sich ihre Herstellung und ihre Eigenschaften in neuen Materialtypen optimieren lassen. Unserewissenschaftlichen undinstrumentellen Laserproduktefinden in dieser Arbeit breite Anwendung. Sehen wir uns nun kurz einige Beispiele an.

Pump-Probe-Spektroskopie. Wenn Elektronen, die (in der Regel durch Lichtabsorption) in einen höheren Energiezustand angeregt wurden, diese Energie durch Fluoreszenzemission wieder abgeben, leuchten die Quantenpunkte.Dieser Prozess arbeitet jedoch nie zu 100 % effizient; ein Teil der Energie geht bei anderen Prozessen verloren. Wissenschaftler möchten diese Prozesse verstehen, um die Effizienz zu steigern und andere Ziele zu erreichen.Ultrakurze Laser sinddas beste Werkzeug für diese Untersuchungen, da die verwendeten Zeiträume sehr kurz sind. Diese Laser werden üblicherweise in einer Methode namens Pump-Probe-Spektroskopie eingesetzt,bei der Femtosekunden- oder Pikosekunden-Laserpulse (sogenannte Pump-Pulse) die Elektronen anregen und anschließend ein zweiter Puls (Probe-Puls) die Probe auf bestimmte Weise untersucht.

Terahertz-Raman. Alle Strukturen schwingen in gewissem Maße. Die Atome in Molekülen schwingen mit Frequenzen, die dem Infrarotbereich entsprechen – deshalb findet man in den meisten chemischen Labors Infrarotspektrometer. Nanostrukturen wie Quantenpunkte schwingen hingegen im Terahertz-Bereich (THz). Dies ist ein schwieriges Forschungsgebiet, da Terahertz-Strahlung nur schwer zu erzeugen und zu detektieren ist.Coherent eine einfachere und intelligentere Lösung namensTerahertz-RamanCoherent , bei der sichtbares Laserlicht genutzt wird, um Terahertz-Informationen zu extrahieren.

Ein paar abschließende Gedanken

Der Nobelpreis für Naturwissenschaften wird für Entdeckungen verliehen, die neue wissenschaftliche Erkenntnisse liefern oder erhebliche Auswirkungen auf die praktische Anwendung haben.Erfindungen verliehen. Innerhalb weniger Jahre haben sich Quantenpunkte als hervorragendes Beispiel für beide Kategorien erwiesen und stehen für einen spannenden Bereich der Photonik, der eigentlich gerade erst im Entstehen begriffen ist. Als Unternehmen mit Schwerpunkt auf der Photonik freuen wir uns sehr, dass die Entwickler vom Nobelpreiskomitee mit dem Chemiepreis 2023 ausgezeichnet wurden. Unserer Meinung nach ist diese Auszeichnung absolut verdient!

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