Dr Bega Karadža: šta su kvantne tačke i zašto su važne?

• Kvantne tačke su nanočestice poluvodiča koje se mogu podesiti da svijetle u duginim bojama.
• Od svog otkrića u 1980-ima, ove naobične nanočestice pružale su primamljive izglede za sve vrste novih tehnologija, u rasponu od materijala za rasvjetu, displeja, poput Samsungovih QLED i solarnih ćelija do kvantnih računalnih čipova, bioloških markera, pa čak i lasera i komunikacijskih tehnologija.
• Jedna bosanska naučnica u Belgiji, dr Bega Karadža, radi na razvoju kvantnih tačaka od materijala koji su manje toksični.

Kvantne tačke (quantum dots, QDs) su nanočestice za koje su Nobelovu nagradu za hemiju 2023. godine  dobili Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Aleksej J. Ekimov. One su jako interesantne zbog svoje jedinstvene sposobnosti da manipulišu svjetlošću. QDs mogu apsorbirati svjetlost kraće talasne dužine, poput plave, i pretvoriti je u svjetlost duže talasne dužine, kao što su zelena ili crvena. Kvantne tačke funkcionišu kao minijaturni „prizma uređaji” koji mogu „mijenjati” boju svjetlosti. Ova osobina ih čini izuzetno korisnim u LED rasvjeti, displejima i drugim primjenama u optoelektronici.

Poluprovodnici koji mijenjanjem veličine mijenjaju i boju

Jedna od ključnih prednosti kvantnih tačaka u odnosu na tradicionalne luminescentne materijale je njihova fleksibilnost. Umjesto da zahtijevaju različite hemijske sastave za proizvodnju svjetlosti različitih boja, kvantne tačke od istog materijala, poput indijum-fosfata (InP), mogu emitovati svjetlost različitih boja samo promjenom njihove veličine. Manje kvantne tačke emitiraju zelenu svjetlost, dok veće emitiraju crvenu.

Kako boja koju emitiraju QDs varira od veličine nanočestica. Izvor: samsungdisplay.com

Istraživanje dr Bege Karadže: Kvantne tačke za poboljšanje LED tehnologije

Dr Bega Karadža, bosanska naučnica porijeklom iz Bugojna bavi se istraživanjem LED tehnologije na KU Leuven. Karadža koristi kvantne tačke kako bi unaprijedila efikasnost LED uređaja. U okviru svoje doktorske teze, radila je na modeliranju kvantnih tačaka, razvoju novih LED rješenja i smanjenju gubitaka svjetlosti. Fokus njenog istraživanja bio je na ekološki prihvatljivim kvantnim tačkama bez kadmijuma, kao što su InP QDs.

Inače dr Karadža je rođena u Bugojnu a u Sarajevu je na Prirodno-matematičkom fakultetu završila fiziku, nakon čega je dobila Baden-Württemberg stipendiju za master studij u Njemačkoj iz oblasti fotonike. Nakon završenog mastera, pronašla je otvorenu poziciju za doktorski studij na KU Leuvenu iz oblasti LED tehnologije i optičkog modeliranja. Aplicirala je i dobila punu stipendiju. Ovo područje usko je vezano uz ono što je učila i radila tokom master studija, a interesirala ju je oblast optike i fotonike. U oktobru 2024. godine odbranila je doktorsku tezu i stekla zvanje Doctor of Engineering Technology.

Dr Bega Karadža, courtesy photo

„QDs imaju sposobnost da apsorbuju kraće talasne dužine svjetlosti, poput plave, i konvertuju ih u duže talasne dužine, poput zelene, amber ili crvene svjetlosti. Laički rečeno, QDs mogu ‘mijenjati’ boju svjetlosti”, objasnila je dr Karadža.

„Kvantne tačke omogućavaju preciznu kontrolu boja i izuzetnu fleksibilnost u primjeni,“ objašnjava dr Karadža. „Kombinacija visokoefikasnih plavih LED čipova i kvantnih tačaka omogućava konverziju plave svjetlosti u zelenu, crvenu ili druge boje, što je osnova za napredne displeje i rasvjetu.“

Kakva je razlika između luminiscentnih materijala i kvatnih tačaka? Zašto su QDs tako posebne?

Tradicionalni luminescentni materijali, poput Ce:Y₃Al₅O₁₂ za žutu svjetlost i K₂SiF₆:Mn⁴⁺ za crvenu zahtijevaju različite kompleksne hemijske sastave kako bi pokrili različite boje spektra. S druge strane, kod QDs jedan materijal, kao što je InP, može emitovati svjetlost u cijelom vidljivom spektru samo promjenom veličine čestica. Manje InP QDs emitovaće zelenu svjetlost, dok će veće InP QDs emitovati crvenu.

Ova jedinstvena sposobnost QDs gdje talasna dužina emitovane svjetlosti zavisi od njihove veličine (emission wavelength tunability) omogućava preciznu kontrolu boja. Također pruža izuzetnu fleksibilnost u njihovoj primjeni u industriji rasvjete i displeja.

Ideja upotrebe QDs u LED tehnologiji temelji se na kombinaciji visokoefikasnih plavih LED čipova i kvantnih tačaka. QDs apsorbuju plavu svjetlost iz LED čipova i konvertuju je u zelenu, crvenu ili druge boje:

Figure 1. Visokoefikasan plavi LED čip u kombinaciji sa QDs raznih veličina omogućava nam da dobijemo zelenu, crvenu, bijelu ili LED sa bilo kojim traženim spektrom.

LED čipovi, u zavisnosti od njihove kompozicije, mogu emitovati svjetlost različitih boja. Trenutno su plavi LED čipovi najefikasniji na tržištu, dok crveni čipovi, iako manje efikasni, i dalje postižu zadovoljavajuće performanse. Međutim, izazov ostaje u proizvodnji zelenih i amber LED čipova, koji pokazuju značajno nižu efikasnost. Ovaj fenomen poznat je kao „zelena rupa” (green gap).

Figure 2. Fenomen “zelena rupa” (green gap): Nitridni LED-ovi (plavi i ljubičasti) postižu visoku efikasnost na kraćim talasnim dužinama, dok fosfidni LED-ovi (crveni i narandžasti) dominiraju na dužim talasnim dužinama. “Zelena rupa” (green gap) između 530 i 580 nm predstavlja područje smanjene efikasnosti LED čipova.

Jedan od ključnih izazova u LED industriji je upravo „zelena rupa“ – smanjena efikasnost LED čipova koji proizvode zelenu i amber svjetlost. Dr Karadža je istraživala kako kvantne tačke mogu prevazići ovaj problem. Umjesto direktne proizvodnje svjetlosti željenih boja, plavi LED čipovi se koriste kao izvor svjetlosti, dok kvantne tačke vrše konverziju svjetlosti u ciljani spektar.

„Naši prvi rezultati pokazali su da primjena kvantnih tačaka može značajno povećati efikasnost LED uređaja,“ kaže dr Karadža. „Posebno smo se fokusirali na smanjenje gubitaka zbog reapsorpcije svjetlosti, što je omogućilo dostizanje efikasnosti veće od trenutnog standarda.“

“Uzmimo primjer displeja – za njegovu funkcionalnost potrebne su tri primarne boje svjetlosti: crvena, zelena i plava. Ovo se može postići korištenjem tri različita LED čipa ili korištenjem samo plavog čipa zajedno sa zelenim i crvenim luminiscentnim materijalima. Drugi pristup trenutno je češći u industriji displeja jer omogućava kompaktniji dizajn, eliminiše potrebu za različitim upravljačkim krugovima za svaki od tri LED čipa i nudi bolju ekonomsku isplativost. Kvantne tačke, sa svim svojim osobinama su posebno interesantne za ovu aplikacije”, kazala je dr Karadža.

Figure 3. Lijevo: RGB color mixing koristeći pojedinačne crvene, zelene i plave LED-ove za proizvodnju bijele svjetlosti. Desno: Jednočipni LED sa luminiscentnim slojem koji dio plave svjetlosti pretvara u crvenu i zelenu kako bi se postigla bijela svjetlost.

„QD-ovi su posebno važni za next-generation micro-LED-ove zbog njihove nano veličine. Tradicionalni luminiscentni materijali, poput Ce:Y₃Al₅O₁₂, su čestica mikro veličine, što ih čini prevelikim za integraciju s micro-LED-ovima. Nasuprot tome, kvantne tačke, koje su nanočestice, odgovaraju ovim aplikacijama i omogućavaju oštre i precizne emisijske spektre”, dodala je Karadža.

Potencijal kvantnih tačaka u industriji i izazovi

Osim LED rasvjete, kvantne tačke imaju široku primjenu u displejima, senzorima i solarnoj tehnologiji. U modernim displejima, poput Samsungovih „Neo QLED” i „QD OLED”, kvantne tačke omogućavaju precizniju reprodukciju boja i bolju energetsku efikasnost. Nano-veličina ovih čestica također ih čini idealnim za integraciju s micro-LED-ovima, pružajući precizne emisijske spektre.

„Iako su kvantne tačke već pronašle primjenu u komercijalnim uređajima, izazovi poput stabilnosti još uvijek ostaju,“ ističe dr Karadža. „Kada su izložene svjetlu, vlazi ili visokim temperaturama, kvantne tačke mogu izgubiti efikasnost. Trenutna istraživanja fokusiraju se na pronalaženje rješenja za ove probleme, posebno za materijale bez kadmijuma.“

Kao i kod svake tehnologije u razvoju, postoje izazovi. U ovom slučaju, to je stabilnost QD-ova. Naime, kada su izložene jakom svjetlu, zraku, vlazi ili visokim temperaturama, QDs mogu izgubiti sposobnost da apsorbiranu energiju pretvore u svjetlost druge boje. Umjesto toga, oslobađaju tu energiju u obliku toplote.

Borba da se izbjegne toksični kadmijum

Trenutno najstabilniji QD-ovi su na bazi kadmijum-selenida (CdSe), ali zbog visoke toksičnosti kadmijuma, njihova upotreba je strogo ograničena ili potpuno zabranjena u raznim državama. Ključna daljnja istraživanja u ovoj oblasti fokusiraju se na razvoj alternativa bez kadmijuma, poput InP (indij- fosfid) QD-ova, te pronalazak  rješenja za poboljšanje stabilnosti kvantnih tačaka.

Istraživanje dr Karadže, objavljeno u prestižnim časopisima poput Nano Letters, doprinosi razvoju održivijih i efikasnijih tehnologija koje će oblikovati budućnost rasvjete i elektronike. „Rad na ovim projektima bio je izazovan, ali vrlo nagrađujući,“ zaključuje dr Karadža, naglašavajući važnost inovacija u ovom  polju.

Dr Karadža dijeli svoje iskustvo i znanje na BH Futures Leaders summit (13. i 14. 12. 2024.)

The post Dr Bega Karadža: šta su kvantne tačke i zašto su važne? appeared first on Nauka govori.