Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, что открывает широкие возможности их прикладного использования в методах и инструментах современной фотоники. В данной статье рассматриваются возможные приложения КТ. Обсуждаются как существующие устройства, так и перспективы разработки новых методов и приборов фотоники. Рассмотрены инновационные подходы применения КТ в различных областях современных фотоны технологий: оптоэлектронике, биофизике, квантовой оптике, сенсорике, фотовольтаике. ВВЕДЕНИЕ Полупроводниковые нанокристаллы (квантовые точки, КТ) обладают уникальными фотофизическими свойствами, зависящими от их морфологии и химического состава, а также термодинамических параметров и свойств окружающей среды (характеристики электромагнитного поля, кислотность, влажность, химический состав и т. п.) [1]. Найденные в исследованиях фундаментальные закономерности (подробно эти вопросы были освещены в первой части данного обзора в ), определяющие эти связи, позволяют осуществлять инжиниринг и управляемый синтез КТ и нанокомпозитов на их основе с заданными свойствами. Благодаря этому обстоятельству КТ все чаще находят применения в различных отраслях науки и технологиях, и, в первую очередь, в различных приложениях фотоники. Условно можно выделить несколько основных областей применения КТ (см. схему на рис. 1):

• Источники света (включая светоизлучающие диоды, лазерные источники, световые конверторы, источники неклассического света). • Дисплеи и многокомпонентные экраны. • Люминесцирующие маркеры – нанометки для различных приложений, включая нанодиагностику конденсированных сред и нанокомпозитов, медицинскую диагностику и тераностику, адресную доставку лекарств. • Новые наноматериалы, включая квазидвумерные наноструктуры, природоподобные материалы (например, нейроморфные структуры). • Световые преобразователи и конверторы, включая элементную базу нелинейной оптики и спектроскопии, световые переключатели (оптические транзисторы), детекторы на различные диапазоны спектра электромагнитного излучения. • Элементная база квантовых технологий, включая источники неклассического света, квантовую память, квантовые сенсоры. • Элементная база солнечной энергетики (фотовольтаические элементы). В данной статье эти направления прикладного использования КТ будут рассмотрены подробно с отсылкой к фундаментальным характеристикам новых материалов, описанных в недавней статье. Источники света и LED КТ могут быть использованы в качестве ярких излучателей как альтернатива органическим люминофорам. Светодиоды на основе КТ за счет высокого квантового выхода обладают более высокой эффективностью по сравнению с органическими соединениями. Органические люминофоры характеризуются широким спектром излучения, что ограничивает возможности производителей точно настраивать цветовую температуру источника путем смешения излучения нескольких люминофоров (например, синего и желтого). Спектральными свойствами люминофоров на основе КТ можно управлять благодаря эффекту размерного квантования, подбирая спектр свечения за счет использования заданного распределения размеров КТ. Такой люминофор можно возбуждать обычным синим светодиодом благодаря наличию широкого спектра поглощения. Светодиоды на основе КТ находят применение в быту, став основой технологии, пришедшей на замену привычным органическим ЖК-дисплеям. КТ, используемые в качестве источников излучения в технологии QLED, позволяют создавать дисплеи с высокой яркостью и повышенной цветопередачей. Уже ведутся разработки нового поколения дисплеев (гибкие, прозрачные) на основе КТ, интегрированных с модулями беспроводной связи для использования в носимой электронике. Также продемонстрированы возможности создания носимых устройств с дисплеями на основе массивов КТ для отображения различных биофункциональных параметров живых организмов (например, дистанционная медицинская диагностика). Массивы из КТ, выращенных на эластомерной поверхности, могут прикрепляться к коже и имеют свойство растяжения и низкого энергопотребления. Данное устройство способно визуально отображать сигналы движения тела и температуры кожи от периферийных датчиков. Основным недостатком, ограничивающим широкое внедрение данной технологии, является то обстоятельство, что массив КТ переизлучает свет внешнего источника возбуждения (матрицы светодиодов), а не является самостоятельным источником излучения. В настоящее время ведется активный поиск способов создания отдельных RGB пикселов на основе электролюминесцирующих полупроводниковых нанокристаллов, однако на сегодняшний день технология ограничивается лишь использованием наночастиц в качестве преобразователей частоты излучения. Преобразователи и детекторы света Поговорим о возможностях преобразования излучения с использованием КТ в качестве детекторов. В настоящее время наибольшее распространение в различных фотоприемниках и матричных сенсорах, функционирующих в видимом диапазоне, получили элементы на основе кремния или других полупроводниковых гетеро-структур. Однако такие детекторы имеют ограниченный рабочий спектральный диапазон от 400 до 1000 нм. Расширение диапазона в ближнюю (1,3–1,5 мкм) и среднюю (20–200 мкм) ИК-область может стать возможным благодаря использованию КТ на фотоактивной поверхности Si [7]. Интерес к продвижению высокочувствительной детекторной техники в ИК-диапазон связан с бурным развитием оптоэлектронных технологий и телекоммуникаций, новыми задачами квантовой оптики и неинвазивной медицинской диагностики. Работы по созданию таких детекторов ведутся в настоящее время, в частности удалось создать такие преобразователи не только с использованием эпитаксиальных КТ на наногетероструктурах, но и коллоидных КТ. В исследованиях было показано, что осаждение коллоидных КТ на поверхность кремния позволяет уменьшить окно прозрачности полупроводника в ИК-диапазоне за счет создания примесных состояний в запрещенной зоне кремния. Учитывая тот факт, что коллоидные КТ достаточно просты в изготовлении и обладают широкими возможностями по управлению спектральными свойствами, можно полагать, что исследования в данном направлении могут дать мощный импульс для совершенствования кремниевых оптоэлектронных устройств. Значительный прогресс в разработке детекторов света достигнут при использовании коллоидных квантовых точек PbS, PbSe, Bi2S3, In2S3, что применяется в гибкой электронике и CMOS-технологиях. Будучи легко интегрируемыми в различные метаматериалы и гетероструктуры, КТ позволяют перейти к конструированию нового поколения устройств интегральной фотоники. Так в продемонстрирована возможность создания высокочувствительной камеры на средний ИК-диапазон на основе массива плазмонных структур, интегрированных с системой квантовых точек внутри квантовых ям. Системы с КТ могут быть использованы и для более сложного преобразования световых потоков. Так в было предложено использовать экситонные уровни полупроводниковых КТ типа CdSe / CdS / ZnS для записи и считывания двухквантовых транзиент-голограмм. В свою очередь нанометровые размеры КТ позволяют рассматривать их использование в фотонных и оптикоэлектронных преобразователях интегральной оптики. Например, в был рассмотрен эффект плазмонного переключения для поверхностных плазмон-поляритонов в графеновом волноводе, интегрированном с штыревым нанорезонатором с КТ. Обнаруженный эффект потенциально обеспечивает возможность управления световыми потоками ИК-диапазона, локализованных в устройстве с размерами 20 нм. Сенсорные технологии Высокая чувствительность оптико-спектральных параметров КТ к характеристикам внешнего окружения открывает возможность разработки на их основе различных сенсорных устройств. Например, селективное изменение физико-химических свойств композитов с КТ при контакте с различными веществами положено в основу газовых сенсоров (NO2). Температурная зависимость спектральных характеристик КТ может стать основой температурных сенсоров [15, 16] и наносенсоров. Создание композитов с КТ обеспечивает существенное повышение эффективности работы фотокаталитических систем. Сопряжение квантовых точек со сложными нанокомпозитами дает возможность высокочувствительного детектирования других физико-химических параметров сред, например в предложено использовать композит полимер-КТ-оксид графена в качестве высокочувствительного pH-сенсора. Еще один пример использования квантовых точек в качестве сенсоров материальных характеристик среды связан с эффектами локального поля, проявляющимися в зависимости времени жизни возбужденного состояния КТ от значения показателя преломления среды (диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости). В связи с этим, люминесцирующие КТ могут быть использованы в оригинальной технике микро- рефрактометрии для определения показателя преломления среды и картирования его флуктуаций, в т. ч. на субмикрометровых масштабах. Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи. https://www.photonics.su/journal/article/9260 Больше познавательной информации на сайте: technosphera.ru #техносфера