Нанотехнологии в оптике кратко

Обновлено: 06.07.2024

Дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы. Функциональные и эксплуатационные характеристики наноматериалов. Причины широкого интереса к нанотехнологиям. Оптические свойства наноматериалов и основные направления их использования.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	08.06.2015
Размер файла	705,9 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Выполнила: ст.гр ТМТО-11 Соловьева К.В.

Проверил: преп. Герасина Ю.С.

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие: фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне; развитие нанотехнологий для целенаправленного создания наноматериалов, а также поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки; развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий. XXI век ознаменовался революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств. В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как фундаментальной и прикладной науки, так промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено следующими причинами: стремлением к миниатюризации изделий, уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии, необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами, развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации, практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия), развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии, технологий получения нанопорошков и т.п., приближением к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т.п.). Направление наноструктурных исследований уже почти полностью сместилось от получения и изучения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии, т. е. создания изделий, устройств и систем с наноразмерными элементами. Основные области применения наноразмерных элементов -- это электроника, медицина, химическая фармацевтика и биология.

1. Причины широкого интереса к нанотехнологиям и наноматериалам

• нанотехнологии позволяют получить принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими их современный уровень, что весьма важно для интенсивного развития многих областей техники, биотехнологии, медицины, охраны окружающей среды, обороны и т.д.

• нанотехнология оказалась весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, медицины, технологии, наук о Земле, компьютерной техники, экономики, социологии и др.

• решение проблем нанотехнологии выявило много пробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях.

2. Наноматериалы, их классификация

Наноматериалы (НМ) - материалы, созданные с использованием наночастицы и/или посредством, нанотехногий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. По рекомендациям 7 Международной конференции по нанотехнологиям (Висбаден, 2004) выделяют следующие виды наноматериалов:

• нанотрубки и нановолокна

• наноструктурированные поверхности и пленки

• нанокристаллы и нанокластеры

Основы классификации наноматериалов

В соответствии с приведенной на предыдущей странице терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 8).

Рис. 1 Классификация наноматериалов

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нановолокна, нанопроволоки, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий. Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий. Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких миллиметров). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса. В первый класс входят однофазные материалы, структура и (или) химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Они находятся в неравновесном состоянии. К таким материалам относятся, например, стекла. Ко второму классу можно отнести многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов. Четвертая категория включает композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов из первой категории и второй категории.

3. Особенности свойств наноматериалов и основные направления их использования

Наиболее сильные изменения свойств наноматериалов и наночастиц наступают в диапазоне размеров кристаллитов порядка 10..100нм. Основные физические причины этого можно проиллюстрировать на рис 9. Для наночастиц доля атомов, находящихся в тонком поверхностном слое (~ 1 нм), по сравнению с микрочастицами заметно возрастает. У поверхностных атомов задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов, находящихся на выступах поверхности, ненасыщенность связей еще выше. В результате в приповерхностном слое возникают сильные искажения кристаллической решетки и даже может происходить смена типа решетки. Другим аспектом является тот факт, что свободная поверхность является местом сосредоточения (стока) кристаллических дефектов. При малых размерах частиц их концентрация заметно возрастает за счет выхода большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. Установлено, что процессы деформации и разрушения протекают, в первую очередь, в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, что во многом определяет механические свойства (прочность, пластичность).

Рис. 2 Основные физические причины специфики наноматериалов

Следующей причиной специфики свойств наноматериалов является увеличение объемной доли границ раздела с уменьшением размера зерен или кристаллитов в наноматериалах.

Рис. 3 а)- Атомная модель наноструктурного материала (черным обозначены атомы зернограничной области у которых смещение превышает 10 % от межатомных расстояний); б) - Границы зерна в наноструктурной меди (просвечивающая электронная микроскопия)

Экспериментальные исследования показали, что границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием высокой концентрации зернограничных дефектов (рис. 10). Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений. В тоже время границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дефекты. Неравновесность границ зерен вызывает возникновение искажений кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери упорядоченности. Результатом является значительное повышение микротвердости. Важным фактором, действующим в наноматериалах, является также склонность к появлению кластеров (скоплений атомов, молекул, …). Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, а также наличие сил притяжения между ними, часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур. Этот эффект уже используют для создания упорядоченных наноструктур в оптике и электронике. Еще одну причину специфики свойств наноматериалов связывают с тем, что при процессах переноса (диффузия, электро- и теплопроводность и т.п.) имеет место некоторая эффективная длина свободного пробега носителей этого переноса Le. При переходе к размерам меньше Le скорость переноса начинает зависеть от размеров и формы и, как правило, резко возрастает. В качестве Le. может выступать, например, длина свободного электрона. Для материалов с размерами кристаллитов в нижнем нанодиапазоне D

О развитии телекоммуникационного рынка оптического кабеля в России и странах СНГ расскажет одноименная статья, в которой рассматривается динамика мирового производства оптических кабелей, содержится информация по производству и потреблению оптического волокна по регионам и странам мира в 2006–2007 годах, по мировому производству оптоволокна, по применению различных технологий для его производства, и множество других интересных данных.

Андреа Феррари

Константин Новосёлов

Пример наноплазмонной структуры. Размер металлических частиц 100 нанометров

Ну вот ещё одна область использования нанотехнологий, которая, несомненно, заслуживает особого внимания…

Понятие нанотехнологии. В сказках, легендах, преданиях разных народов мира вы наверняка встретите героев, отличающихся необыкновенно малыми размерами: Дюймовочка, Мальчик-с-пальчик, Нильс, лилипуты, Крошечка-хаврошечка. И это не случайно, поскольку благодаря своему малому росту такой герой мог совершать то, что не под силу обычному человеку: жить в бутоне цветка, путешествовать на спине гуся, залезать в одно ушко, а вылезать из другого.

Почему мы вдруг заговорили о народном эпосе? Да потому что возможности той области науки, о которой мы сейчас будем говорить, фантастические. Вы и сами не раз убеждались в том, что благодаря современному естествознанию от сказки до реальности порой всего один шаг.

Наверное, вам приходилось собирать из школьного набора атомов модели молекул. Модель молекулы метана CH₄ (рис. 148, а) вы можете собрать из одного атома углерода и четырёх атомов водорода.

Рис. 148. Модели молекул: а — метана; б — глюкозы

Напомним, что метан — это один из важнейших энергоносителей, главная составляющая природного газа, добыча, транспортировка и экспорт которого составляют основу экономического благополучия многих стран мира.

Модель более сложной молекулы — глюкозы С₆Н₁₂О₆ (рис. 148, б) — вы собрали бы из атомов-шариков за пару минут. Тем не менее химический синтез глюкозы из более простых веществ учёные и технологи до сих пор не могут проводить в промышленном масштабе. Лучше, чем это делают клетки зелёных растений в присутствии хлорофилла (процесс фотосинтеза), синтезировать глюкозу ещё не научился никто.

Теперь представьте, что вы, словно сказочный герой, уменьшились до размеров атомов и молекул, т. е. до наноразмеров.

Размеры крупных молекул составляют порядка десятков нанометров, а радиусы атомов, как правило, менее 1 нм. И вот перед вами целый набор-конструктор атомов самых разных химических элементов, из которых можно сконструировать молекулы любых полезных веществ — антибиотиков, красителей, полупроводников, полимерных материалов, компонентов пищи, наконец. Вы можете создать любое нужное вам вещество! Но где же взять эти исходные атомы? Ведь вы знаете, что изолированные атомы (за исключением атомов благородных газов) в природе не встречаются. Вспомните, что все окружающие нас вещества состоят из атомов менее чем 100 химических элементов, — это весьма ограниченный набор. Таким образом, теоретически вы (будучи наночеловечком) можете разбирать на атомы молекулы ненужных вам веществ и материалов (бытового мусора, промышленных выбросов, сельскохозяйственных отходов) и собирать из них молекулы практически ценных веществ. Фантастика, сказка? Оказывается, нет. Это одно из направлений новейшей области естественно-научных исследований, которая называется нанотехнология.

Напомним, что 1 нм = 1 • 10 -9 м, это одна миллиардная часть миллиметра.

По своим размерам наночастицы занимают промежуточное положение между макрообъектами, на которые распространяются законы классической механики, и объектами микромира (атомами, молекулами, фундаментальными частицами), в котором действуют законы квантовой механики. Поэтому наночастицы обладают специфическими физическими и химическими свойствами, обусловливающими их невероятные функциональные возможности.

Основными методами такого подхода в нанотехнологиях являются молекулярный синтез, самосборка, наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация.

Молекулярный синтез и самосборка. В технологии поэлементной сборки наноустройств рассмотрим сначала методы молекулярного синтеза и самосборки.

Таким образом производятся медикаменты. Множество современных лекарств, включая антибиотики нового поколения, являются продуктами молекулярного синтеза. Кроме синтеза самих лекарств нанотехнология решает вопросы их доставки непосредственно в поражённые участки организма. Доза лекарственного препарата заключается в особую молекулярную оболочку, позволяющую транспортировать лекарство к месту назначения.

Принцип самосборки основан на принципе минимума потенциальной энергии — постоянном стремлении атомов и молекул перейти на самый нижний из доступных для них уровней энергии. Если этого можно добиться, соединившись с другими молекулами, то такое соединение будет происходить самопроизвольно; если же для этого нужно изменить своё положение в пространстве, то молекулы переориентируются. Своеобразной иллюстрацией принципа минимума потенциальной энергии может служить древнегреческий миф о Сизифе, который с трудом поднимал камень на вершину горы, а тот упорно стремился скатиться вниз по склону, т. е. занять наименьший уровень потенциальной энергии.

В живых организмах самосборка является основой процессов ассимиляции, т. е. процессов синтеза белков, жиров, углеводов, полинуклеотидов, необходимых конкретному живому организму. Структурирование и сборка биологических тканей происходит на атомномолекулярном уровне, причём живые организмы осуществляют их с высокой эффективностью. Наноконструкторы помещают определённые атомы или молекулы на поверхность подложки. Далее исходные молекулы ориентируются в пространстве, собираясь в определённую наноструктуру. Отпадает необходимость медленного и нудного конструирования такой структуры с помощью зондового инструмента. В этом и состоит преимущество самосборки. В настоящее время с помощью самосборки возможно создание компьютерных запоминающих устройств. Таким же образом изготовлены опытные образцы гидрофильного (любящего воду) и гидрофобного (боящегося воды) стёкол, которые могут найти широкое применение, например, в автомобилестроении, производстве прозрачных строительных материалов, в оптике.

Наноскопическое выращивание кристаллов и полимеризация. Кремниевые блоки, используемые для создания микрочипов, производятся наноскопическим выращиванием кристаллов.

Этот метод можно использовать и для выращивания длинных, стержнеподобных углеродных нанотрубок. Они представляют собой совершенно новый материал, обладающий уникальными свойствами. Нанотрубки могут быть полупроводниковыми или металлическими.

Наибольший интерес представляют углеродные полупроводниковые нанотрубки, которые имеют форму крошечных цилиндров с диаметром от 0,5 до 10 нм и длиной примерно в 1 мкм. Однослойные нанотрубки можно представить себе в виде свёрнутого в рулон одного слоя графита. Такие цилиндрики способны поглощать и удерживать водород в больших количествах, поэтому представляют собой ценный материал для создания двигателей на водородном топливе и водородных батарей.

Многослойные нанотрубки имеют высокий предел прочности на растяжение — в 50—60 раз больше, чем у высококачественных сталей, и в тысячи раз выше, чем у традиционных волокон. Это позволяет использовать их при изготовлении материалов для пуленепробиваемых жилетов и стёкол, а также для производства сейсмоустойчивых строительных материалов.

Рис. 149. Нанотехнологии и космос будущего

Трос поддерживается в натянутом состоянии за счёт двух противоположно направленных сил: силы земного притяжения и центробежной силы, действующей на космическую станцию. Материалом для изготовления троса предположительно должны служить нанотрубки, имеющие колоссальную прочность и в то же время чрезвычайно лёгкие. Такой лифт позволил бы сэкономить значительные средства, поскольку доставка на орбиту Земли 1 кг груза обычной космической техникой обходится в 50—80 тыс. долларов! Вот только стоить строительство такого моста к звёздам будет не менее 10 млрд долларов.

Учёные установили, что внутренняя поверхность углеродных нанотрубок обладает большой каталитической активностью. Считается, что при сворачиваний графитового листа из атомов углерода в трубку концентрация электронов на её внутренней и внешней поверхностях становится неодинаковой, что и обусловливает каталитический эффект. Если ввести внутрь углеродной трубки наночастицу переходного металла, например родия (Rh), каталитический эффект усиливается. Смесь оксида углерода (II) СО и водорода H₂, называемая синтез-газом, при прохождении через такой каталитический комплекс превращается в этанол (этиловый спирт). Эту реакцию невозможно осуществить в иных условиях.

Для осуществления этого метода применяют так называемые генные машины, позволяющие синтезировать из отдельных фрагментов дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), необходимые для производства медикаментов, ферментов или белков заданного строения. Синтезированные шаблоны ДНК вводятся в ДНК бактерий, которые затем производят множество копий нужного вещества. Это позволяет эффективно строить белковые фабрики для получения практически любого выбранного протеина. Примером практического применения данной нанотехнологии является получение инсулина для лечения диабета.

Общество уже может гордиться первыми результатами использования нанотехнологий в различных сферах деятельности.

Энергетика. Альтернативой использования ископаемого топлива (природного газа, нефти, угля и др.) является применение фотоэлектрических элементов, которые непосредственно превращают солнечный свет в электрическую энергию, — так называемых солнечных батарей. В основе таких устройств лежит кремний, реже — германий. Кремниевые фотоэлементы используются в жилищном строительстве и промышленном производстве, в калькуляторах и т. п. Солнечный свет фокусируется на полупроводнике, в роли которого выступает один кристалл кремния или его поликристалл. Получение таких кристаллов и является задачей нанотехнологии.

Другой альтернативой использования энергии, получаемой от сжигания ископаемого топлива, является создание новых топливных элементов, в роли которых могут выступать углеродные нанотрубки, обладающие высокой адсорбционной способностью к водороду.

Электроника. Важнейшим техническим достижением второй половины ХХ столетия является развитие электроники. В наши дни компьютеры пришли не только во все сферы деятельности общества (банки, почта, транспорт, производство, наука), но и в большинство семей.

Уже сейчас нанотехнология позволяет изготавливать полупроводниковые элементы размером 100 нм. В перспективе габариты таких элементов будут снижены до 35—50 нм. Такую возможность предоставит использование в электронной промышленности углеродных нанотрубок и запоминающих устройств нового типа. В свою очередь, это позволит повысить скорость передачи информации примерно до 10 Гбит/с. Кроме этого, важное значение имеет совершенствование техники хранения информации. Эта задача решается путём создания терабитовых запоминающих устройств — степень плотности записанной с их помощью информации в 1000 раз больше, чем на обычных носителях.

С помощью нанотехнологии создаются наноинструменты, используемые в медицине. Так, уже появились наноманипуляторы и наноиглы. Например, для изготовления нанопинцета применяются две углеродные нанотрубки диаметром в 50 нм, расположенные параллельно на подложке из стеклянного волокна. Эти трубки сходятся и расходятся при подаче на них напряжения, имитируя пинцет. Учёные из Новосибирска сделали наноиглы, способные производить инъекции внутрь клеток.

Сельское хозяйство. Продовольственная проблема является глобальной для человечества. Мы с вами становимся свидетелями неуклонного роста цен на продукты питания. Одно из решений продовольственной проблемы человечества заключается, как уже было сказано, в широком применении генной инженерии и биотехнологии для создания сортов растений с повышенной урожайностью и питательной ценностью, а также в создании высокопродуктивных пород животных и штаммов микроорганизмов.

Наноинструменты и ферментативные методики, применяемые в биотехнологии и генной инженерии, позволяют решать эти задачи более быстрыми темпами. Так, бурно эволюционирует производство всё новых сортов хорошо известной каждому генно-модифицированной сои. Традиционные сорта помидоров, картофеля, кукурузы, гороха, пшеницы, риса и т. д., а также экзотических батата и папайи в сельскохозяйственной практике уступают место созданным с помощью генной инженерии сортам, устойчивым к сорнякам и вредителям и обладающим повышенной урожайностью.

Экология. К проблемам защиты окружающей среды, которые можно решить с помощью нанотехнологий, относятся повышение температуры атмосферы Земли, разрушение озонового слоя, загрязнение среды диоксином, кислотные дожди.

Средняя температура Земли только за 40 лет прошлого столетия выросла на 0,5 °С. Прогнозируется, что в новом столетии средняя температура возрастёт ещё на 3 °С. Последствия этого грозят человечеству многими бедами: уровень Мирового океана поднимется на 65 см (будут подтоплены прибрежные территории многих стран), произойдёт кардинальное изменение климата, смещение природных зон и т. п. Нанотехнологии дают возможность уменьшить температурные воздействия на атмосферу Земли с помощью альтернативных источников энергии, совершенствования солнечных батарей и уменьшения оксида углерода (IV) в выхлопных газах.

С применением нанотехнологий синтезируют новые материалы, способные заменить хлорсодержащие полимеры; создают биодатчики длительного и точного мониторинга за окружающей средой; производят нанопорошки для борьбы с загрязнением окружающей среды (и в первую очередь с разливами нефти); делают нанофильтры, позволяющие предотвращать поступление диоксина и других отходов в окружающую среду (в том числе оксидов серы и азота). Для достижения последней цели немаловажную роль могут сыграть и созданные с помощью нанотехнологии катализаторы и носители для них.

Передовые технологии и материалы всегда играли значимую роль в истории цивилизаций, выполняя не только производственные, но и социальные функции. Достаточно вспомнить, как сильно отличался каменный век от бронзового, век пара от века электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению экспертов, нынешний век будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Знаменитый американский физик Р. Ф. Фейнман (1918—1988), который в 1959 г. первым высказал идею конструирования веществ и материалов путём манипулирования отдельными атомами, утверждал, что проникновение в наномир — это бесконечный путь человечества, на котором он практически не ограничен материалами, а следует лишь за собственным разумом.

Вместе с тем опыт последних двух тысячелетий развития человечества показывает, что лучшие научные достижения находят применение в первую очередь в разрушительных целях. Так было и с порохом, и с паровой машиной, и с атомной энергией. Чтобы нанотехнологии не превратились из всеобщего блага в страшную машину уничтожения всего живого на Земле, потребуется ваш разум, ваша гражданская позиция, ваше понимание законов естествознания.

Следующий параграф будет посвящён комнатным и декоративным растениям и их значению в жизни человека.

В современной технике светодиоды широко используются при производстве:

осветительных приборов;
бытовой и промышленной техники;
электронных устройств;
транспортных средств;
сигнальных устройств;
средств архитектурной и декоративной подсветки.

Перспективным направлением является разработка новых источников освещения, но для этого необходим существенный прорыв в технике и технологиях.

Тенденции развития светодиодной техники

Как известно, светоизлучающий диод – это полупроводниковый прибор, испускающий оптическое излучение под воздействием электрического тока. В отличие от других источников света, светодиодный поток характеризуется более узким спектром, зависящим от химического состава полупроводника. Комбинируя материалы, можно получать светодиоды в диапазоне излучения от инфракрасного до ультрафиолетового.

На протяжении последних десятилетий при производстве этих приборов использовались кремниевые технологии, достаточно трудоемкие и дорогостоящие. В последнее время оптимистичные прогнозы связываются с применением достижений полимерной электроники.

Активная работа ведется во многих странах, в том числе в Российской Федерации. Россия к 2015 году намерена вложить в развитие этой области приблизительно 20 миллионов долларов. При финансовой поддержке государства соответствующие научные исследования проводит ФИАН, Физико-технический институт, Институт физической химии и электрохимии, Институт проблем химической физики, Институт синтетических полимерных материалов и Центр фотохимии.

Поставлена задача по коренному улучшению основных параметров светодиодов – светоотдачи и внешнего квантового выхода. Если европейские и американские компании уже готовы приступить к промышленному производству светодиодов с показателем светоотдачи 100 Лм/Вт, то российские аналоги пока остаются на уровне 50 Лм/Вт.

Методы повышения эффективности и качества светодиодов

Добиться глобального улучшения показателей качества и эффективности органических светодиодов невозможно без решения проблемы деградации полимера. Для этого существует несколько возможностей, например, капсуляция. Разрабатываются также варианты применения гибридных материалов.

Еще один путь, представляющийся наиболее перспективным, — использование неорганических нанокристаллов (квантовых точек). Технологии синтеза квантовых точек разработаны с использованием методов коллоидной химии, обеспечивающих высокую химическую и радиационную стабильность наночастиц.

Светодиоды на квантовых точках

Светодиоды на квантовых точках по показателям яркости и стабильности заметно превосходят своих неорганических собратьев, обладая при этом дополнительными преимуществами в виде широкого спектра поглощения и возможности флуоресценции на любой длине.

При увеличении диаметра нанокристаллов от 2 до 4 и далее до 6 нанометров цвет излучения изменяется от синего до зеленого и затем красного. Для того чтобы добиться белого света, достаточно смешать кристаллы разных размеров в необходимой пропорции. Таким образом, решена важная проблема, когда один и тот же материал может излучать разные цвета, что было невозможно при использовании кремнийорганических излучателей.

Диапазон излучения монодисперсных квантовых точек крайне узкий, поэтому спектр красного и зеленого цвета гораздо чище, чем у жидких кристаллов и органических светодиодов, и почти на треть лучше, чем у эталона цветопередачи, которым считается катодно-лучевая трубка.

Светоизлучающие диоды на квантовых точках будут гораздо дешевле своих твердотельных аналогов на гетеропереходах, прежде всего, вследствие простоты получения люминесцирующих пленок, не требующих дорогостоящего оборудования, при этом благодаря гибкости и тонкости существенно расширится сфера их применения.

Читайте также: