Блестящая будущность квантовых наностержней / Offсянка

Экраны смартфонов, которые сами, без каких-либо добавочных слоёв, фиксируют световой поток. Видеопанели, способные напрямую, без проводов или радиомодулей, обмениваться данными. Дисплеи, подпитываемые энергией солнца в отсутствие внешних фотоэлементов. Всё это обещает стать реальностью в не самом отдалённом будущем — благодаря квантовым наностержням (nanorods), первые рабочие образцы которых уже получены и вовсю совершенствуются. Другой вопрос, найдутся ли инвесторы, чтобы помочь вывести эти исследования из лабораторной стадии?

⇡#Точки на палочке

Дисплейные технологии в наши дни уверенно освоили субмикронный масштаб благодаря квантовым точкам. Полупроводниковые объекты (чаще всего на основе селенида цинка, селенида кадмия или фосфида индия) размерами в считаные нанометры преобразуют падающий на них коротковолновой свет в излучение с большей длиной волны. Причём эта длина фиксирована и определяется одними только физическими габаритами квантовой точки: чем они меньше, тем ближе испускаемый свет к синему концу видимого спектра.

Кроме того, квантовые точки могут излучать свет и сами, если приложить к ним соответствующее напряжение. В современных видеопанелях чаще всего встречаются не самоизлучающие, а индуцируемые (подсвечиваемые) фоновыми светодиодами из нитрида галлия точки двух сортов. Одни из них преобразуют синее излучение с длиной волны 450-495 нм в практически монохромное красное (638 нм, характерные размеры самих точек — 3,0-5,0 нм), другие — в зелёное (527 нм, точки от 1,5 до 2,5 нм).

Квантовые точки считаются сегодня наиболее перспективной технологией для смартфонных, компьютерных и телевизионных экранов. Однако в нечто принципиально новое они дисплейную панель не превращают. Совсем другое дело — наностержни, которые создала и изучает группа исследователей из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне совместно с коллегами из южнокорейского Института исследований в области электроники и телекоммуникаций, а также из американской компании Dow Chemical.

Лазерный луч выписывает литеры UI, символизирующие Иллинойский университет, на крупной сетке из пикселов с квантовыми наностержнями, которые в ответ на облучение светятся красным. Credit: Moonsub Shim, University of Illinois

Наностержни гантелевидной формы с длиной «грифа» около 5 нм и «утяжелителями» порядка 1 нм на концах образованы полупроводниками трёх разновидностей. Один из этих материалов, который формирует ядра «утяжелителей», способен преобразовывать электрический ток в видимый свет и наоборот. Внешние слои «утяжелителей» и «гриф» служат для транспортировки электронов и дырок — отрицательных и положительных зарядов, — причём работают они в зависимости от знака приложенного к наностержню напряжения в противофазе.

В режиме излучения «гриф» наностержня направляет поток электронов к внутренним областям — ядрам — «утяжелителей», а внешние их слои — оболочки — генерируют в том же направлении поток дырок. Рекомбинация отрицательных и положительных зарядов в ядрах порождает кванты видимого света: наностержень излучает обоими своими «утяжелителями».

При перемене знака приложенного напряжения процесс идёт в обратную сторону. Фотоны извне, попадая на полупроводниковые ядра, порождают электроны и дырки. «Гриф» способствует выводу электронов из области ядра, тогда как оболочка открывает дорогу дыркам. В результате, если с достаточно высокой частотой (речь идёт о десятках тысяч герц) менять напряжение, человеческий глаз не сможет уловить мерцания светового потока, — он будет казаться непрерывным и ровным.

⇡#Укрощение дисплейной наножидкости

Дисплей, составленный из такого рода наностержней, оказывается уже принципиально новым устройством по сравнению с привычными нам сегодня. Скажем, он без труда сможет избирательно корректировать свою яркость в зависимости от внешней засветки. Если экран на квантовых наностержнях частично освещён солнечными лучами, а частично остаётся в тени, не составит труда запрограммировать его микроконтроллер так, чтобы фиксирующие больший световой поток его элементы сами испускали свет интенсивнее, — и наоборот.

Светочувствительность каждого базового элемента такого дисплея позволит обойтись без дополнительных детекторов (например, инфракрасных), которые в наши дни заменяют собой контактные датчики на крупных интерактивных экранах. Каждый поднесённый к панели на наностержнях палец будет по контрасту с фоном уверенно распознан, что позволит фиксировать и отрабатывать управляющие жесты — в том числе мультитач. Разумеется, такая панель среагирует и на лазерную указку.

Интересны и коммуникативные возможности дисплеев на наностержнях. Если один такой экран размещён напротив другого, они способны будут обеспечить уверенный обмен информацией без применения проводов и радиоволн. Это может пригодиться во множестве экстремальных приложений (подводные работы, обслуживание аппаратов в космосе и тому подобное). Даже умные очки для повседневного ношения, если они когда-либо по распространённости догонят смартфоны, выиграют от возможности напрямую обмениваться данными с рекламными и информационными экранами.

Исследователи наностержней утверждают, что генерируемой их дисплеем в фазе поглощения света энергии будет вполне достаточно если не для полноценной подзарядки смартфона, то по крайней мере для ощутимого продления времени его автономной работы в условиях достаточной освещённости. Правда, для этого необходимо сперва такие дисплеи создать. Пока наностержни обеспечивают работу лишь достаточно крупных и вдобавок монохромных (красных) пикселей, — но разработчики уверены, что это только начало.

Исследователи из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне вместе с коллегами опубликовали результаты своих изысканий в журнале Science — и полны энтузиазма двигаться дальше. Главная проблема, которая стоит перед ними сейчас, — миниатюризация. Сам процесс формирования наноразмерных «гантелей» сравнительно прост, но есть нюанс: все используемые для этого материалы при нормальных (в физико-химическом смысле) условиях представляют собой растворы.

С одной стороны, это прекрасно, потому что удешевляет производство, позволяет в один присест получать мириады наностержней, а затем покрывать «дисплейной жидкостью» практически любую поверхность и использовать её в качестве экрана после высыхания. С другой — не очень, поскольку таким образом можно получать лишь довольно крупные пикселы, каждый из которых содержит великое множество наноразмерных «гантелей».

Чтобы существенно, хотя бы до десятков микрон, уменьшить размеры одиночного пиксела, необходимо прибегнуть к разработанным для микроэлектроники методам вроде литографии. Но в этом случае не обойтись без растворителей — которые практически гарантированно разрушат наностержни. Возможно, проблему решит создание печатающего «чернилами» с наностержнями принтера с микронными допусками смещения головки — или же поиск иных материалов и технологий для формирования более стойких «гантелей». Но всё это требует дополнительных инвестиций.

Так или иначе, наностержни обещают не просто серьёзную подвиждку, а настоящий переворот в дисплеестроении. Найдутся ли средства для их совершенствования? Готовы ли будут глобальные лидеры дисплейного рынка, лишь недавно начавшие постепенный переход от традиционных ЖК к OLED и квантовым точкам, сделать ставку на ещё одну принципиально новую технологию? Время покажет. А пока можно изучить на YouTube снятый в лаборатории Иллинойского университета ролик, в котором крупные пикселы, содержащие наностержни, с готовностью светятся в ответ на стимулирование лазерной указкой.