Công nghệ chấm lượng tử màu xanh lam mới có thể dẫn đến màn hình tiết kiệm năng lượng hơn
của Đại học Tokyo
Hình ảnh kính hiển vi điện tử của các mẫu thí nghiệm sử dụng các kết hợp hóa học khác nhau. Ảnh: © 2022 Nakamura et al.
Chấm lượng tử là những tinh thể kích thước nano có khả năng phát ra ánh sáng với nhiều màu sắc khác nhau. Các thiết bị hiển thị dựa trên chấm lượng tử hứa hẹn hiệu quả sử dụng năng lượng, độ sáng và độ tinh khiết màu sắc cao hơn so với các thế hệ màn hình trước. Trong số ba màu thường được yêu cầu để hiển thị hình ảnh đủ màu - đỏ, xanh lá cây và xanh lam - màu cuối cùng tỏ ra khó sản xuất.
Một phương pháp mới dựa trên các cấu trúc hóa học tự tổ chức đưa ra một giải pháp và một kỹ thuật hình ảnh tiên tiến để hình dung các chấm lượng tử màu xanh mới lạ này tỏ ra rất cần thiết cho việc tạo ra và phân tích chúng.
Nhìn kỹ vào màn hình thiết bị của bạn và bạn có thể thấy các yếu tố hình ảnh riêng lẻ, pixel, tạo nên hình ảnh. Các điểm ảnh có thể xuất hiện hầu hết mọi màu sắc, nhưng chúng không thực sự là phần tử nhỏ nhất trên màn hình của bạn vì chúng thường được tạo thành từ các điểm ảnh phụ có màu đỏ, xanh lục và xanh lam. Cường độ thay đổi của các subpixel này mang lại cho các pixel riêng lẻ sự xuất hiện của một màu duy nhất từ một bảng hàng tỷ.
Công nghệ cơ bản đằng sau subpixel đã phát triển từ những ngày đầu của truyền hình màu và bây giờ có một số tùy chọn khả thi. Nhưng bước tiến lớn tiếp theo có thể là cái gọi là điốt phát quang chấm lượng tử, hay QD-LED.
Màn hình dựa trên QD-LED đã tồn tại, nhưng công nghệ vẫn đang phát triển và các tùy chọn hiện tại có một số nhược điểm, đặc biệt là liên quan đến các subpixel màu xanh lam bên trong chúng. Trong ba màu cơ bản, màu phụ xanh lam là màu quan trọng nhất. Thông qua một quá trình được gọi là chuyển đổi xuống, ánh sáng xanh lam được sử dụng để tạo ra ánh sáng xanh lục và đỏ. Do đó, các chấm lượng tử màu xanh lam yêu cầu các thông số vật lý được kiểm soát chặt chẽ hơn.
Chấm lượng tử màu xanh được SMART-EM chụp. Tín dụng: 2022 Nakamura et al.
Điều này thường có nghĩa là các chấm lượng tử màu xanh lam rất phức tạp và tốn kém để sản xuất, và chất lượng của chúng là một yếu tố quan trọng trong bất kỳ màn hình nào. Nhưng giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Eiichi Nakamura từ Khoa Hóa học của Đại học Tokyo đứng đầu đã có một giải pháp.
Nakamura cho biết: “Các chiến lược thiết kế trước đây cho các chấm lượng tử màu xanh lam là từ trên xuống dưới, lấy các chất hóa học tương đối lớn và đưa chúng qua một loạt quy trình để tinh chỉnh chúng thành một thứ hoạt động,” Nakamura nói.
"Chiến lược của chúng tôi là từ dưới lên. Chúng tôi đã xây dựng dựa trên kiến thức về hóa học tự tổ chức của nhóm mình để kiểm soát chính xác các phân tử cho đến khi chúng tạo thành cấu trúc mà chúng tôi muốn. Hãy nghĩ về nó giống như xây một ngôi nhà từ gạch hơn là chạm khắc một ngôi nhà từ đá. Thật dễ dàng hơn nhiều khi chính xác, thiết kế theo cách bạn muốn và hiệu quả hơn cũng như tiết kiệm chi phí. "
Nhưng không chỉ cách mà nhóm của Nakamura tạo ra chấm lượng tử màu xanh của họ là đặc biệt; Khi tiếp xúc với tia cực tím, nó tạo ra ánh sáng xanh gần như hoàn hảo, theo tiêu chuẩn quốc tế để đo độ chính xác của màu sắc, được gọi là BT.2020. Điều này là do thành phần hóa học độc đáo của chấm của chúng, một hỗn hợp lai giữa các hợp chất hữu cơ và vô cơ bao gồm perovskite chì, axit malic và oleylamine. Và chỉ thông qua sự tự tổ chức, chúng mới có thể được ghép thành dạng cần thiết, đó là một khối lập phương gồm 64 nguyên tử chì, bốn nguyên tử về một phía.
Ảnh tĩnh từ video được quay bằng cách sử dụng "hóa học điện ảnh" của chấm lượng tử màu xanh lam, bao gồm hình minh họa cho thấy sự sắp xếp nguyên tử của mẫu. Tín dụng: © 2022 Nakamura et al.
Nakamura cho biết: "Đáng ngạc nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của chúng tôi là tìm ra rằng axit malic là một phần quan trọng trong câu đố hóa học của chúng tôi. Phải mất hơn một năm thử các phương pháp khác nhau một cách có phương pháp".
"Có lẽ ít ngạc nhiên hơn là thách thức chính khác của chúng tôi là xác định cấu trúc của chấm lượng tử màu xanh lam. Ở 2,4 nanomet, nhỏ hơn 190 lần so với bước sóng của ánh sáng xanh lam mà chúng tôi tìm cách tạo ra bằng nó, cấu trúc của một chấm lượng tử không thể được chụp ảnh bằng các phương tiện thông thường. Vì vậy, chúng tôi đã chuyển sang một công cụ hình ảnh được một số nhóm của chúng tôi tiên phong gọi là SMART-EM, hay 'hóa học điện ảnh' như chúng tôi thường gọi. "
Hóa học điện ảnh là một sự phát triển của hình ảnh bằng kính hiển vi điện tử giống với việc quay video hơn là chụp ảnh tĩnh. Để nắm bắt chi tiết cấu trúc của chấm lượng tử màu xanh, đây là điều cần thiết, vì tinh thể nano thực sự khá động, vì vậy bất kỳ hình ảnh đơn lẻ nào của nó cũng chỉ kể một phần nhỏ câu chuyện của nó. Thật không may, chấm lượng tử màu xanh cũng tồn tại khá ngắn, mặc dù điều này đã được mong đợi, và nhóm nghiên cứu hiện đang hướng tới việc cải thiện tính ổn định của nó với sự hỗ trợ của sự hợp tác công nghiệp.
