[Интервью о настоящих квантовых точках. Часть 2] Как инженерный прорыв Samsung стал катализатором научного и промышленного прогресса

«Технология QLED от Samsung сыграла ключевую роль в признании квантовых точек на уровне, достойном Нобелевской премии по химии»,

— ТхэкВан Хён, Сеульский национальный университет (SNU)

Квантовые точки в течение последнего десятилетия находились в авангарде инноваций в области дисплеев — они обеспечивают одну из самых точных цветопередач среди всех существующих материалов. В 2015 году компания Samsung Electronics проложила путь к коммерциализации квантовых точек, выпустив телевизоры SUHD — прорыв, который положил конец использованию кадмия (Cd), тяжелого металла, традиционно применяемого при синтезе квантовых точек, и представил миру первую безкадмиевую технологию квантовых точек.

Академическое сообщество обратило на это внимание. Успешная коммерциализация телевизоров с квантовыми точками без кадмия не только задала новое направление научно-исследовательской деятельности, но и сыграла важную роль в присуждении Нобелевской премии по химии в 2023 году за открытие и синтез квантовых точек.

В продолжение серии интервью о настоящих квантовых точках, пресс-служба Samsung раскрывает, как компания внесла вклад в науку благодаря революционным достижениям в области материаловедения.

▲ (Слева направо) ТхэкВан Хён, До Чанг Ли и СангXён Сон

Почему кадмий стал отправной точкой для исследований квантовых точек

«Я был искренне впечатлен тем, что Samsung удалось коммерциализировать дисплей с квантовыми точками без кадмия»,

— ТхэкВан Хён, Сеульский национальный университет (SNU)

Интерес научного сообщества к квантовым точкам возник в 1980-х годах, когда Алексей Екимов, бывший главный научный сотрудник компании Nanocrystals Technology Inc., и Луис Е. Брус, профессор-эмеритус кафедры химии Колумбийского университета, опубликовали свои исследования о квантовом ограничении и зависящих от размера оптических свойствах квантовых точек.

Импульс усилился в 1993 году, когда Муонджи Бавенди, профессор кафедры химии Массачусетского технологического института (MIT), разработал надежный метод синтеза квантовых точек. В 2001 году ТхэкВан Хён, профессор кафедры химической и биологической инженерии Сеульского национального университета (SNU), изобрел метод «heat–up process» — способ получения однородных наночастиц без необходимости селективного разделения по размеру. В 2004 году Хён опубликовал масштабируемый метод производства в журнале Nature Materials — открытие, признанное поворотным моментом в индустрии.

▲ ТхэкВан Хён

Однако эти усилия не сразу привели к коммерческому успеху. В то время квантовые точки сильно зависели от кадмия (Cd) как основного материала — вещества, вредного для человека и признанного опасным в соответствии с директивой Европейского Союза по ограничению опасных веществ (RoHS).

«На данный момент только два материала могут эффективно использоваться для производства квантовых точек — селенид кадмия (CdSe) и фосфид индия (InP), — объясняет Хён. — Селенид кадмия, традиционный материал, — это соединение элементов из II и VI групп, в то время как фосфид индия состоит из элементов III и V групп. Синтез квантовых точек из элементов II и VI групп относительно прост, а вот из III и V — химически куда более сложен».

▲ Сравнение квантовых точек на основе кадмия (ионные связи) и индия (ковалентные связи)

Кадмий, элемент с двумя валентными электронами, формирует прочные ионные связи^[1] с такими элементами, как селен (Se), сера (S) и теллур (Te), каждый из которых имеет шесть валентных электронов. Эти соединения дают стабильные полупроводники (II–VI полупроводники) — они долгое время использовались в исследованиях из-за их способности формировать качественные нанокристаллы даже при относительно низких температурах. Поэтому кадмий в течение многих лет считался научным стандартом в синтезе квантовых точек.

В то же время индий (In) — альтернатива кадмию с тремя валентными электронами — формирует ковалентные связи^[2] с такими элементами, как фосфор (P), у которого пять валентных электронов. Ковалентные связи, как правило, менее стабильны и обладают направленной природой, что увеличивает вероятность дефектов при синтезе. Эти особенности делают индий сложным материалом как для исследований, так и для массового производства.

«Трудно добиться высокой кристалличности квантовых точек из фосфида индия, — отмечает Ли. — Необходим сложный и трудоемкий синтез, чтобы достичь качества, пригодного для коммерциализации».

Без компромиссов — от прорыва к массовому производству

«В вопросах безопасности для потребителя компромиссов быть не может»,

— СангХен Сон, Samsung Electronics

Samsung выбрала другой путь.

«Мы начали исследования и разработку квантовых точек в 2001 году, — говорит СангХен Сон, глава Лаборатории передовых дисплеев (Advanced Display Lab), подразделения дисплейных решений (VD) в Samsung Electronics. — С самого начала было ясно: кадмий — вредный элемент и он непригоден для коммерческих продуктов. Хотя в некоторых странах допускается до 100 долей кадмия на миллион (ppm) в электронике, мы с самого начала приняли политику полного отказа от кадмия. Без кадмия, без компромиссов — вот наш подход. В вопросах безопасности компромиссы недопустимы».

▲ СангХён Сон

Приверженность Samsung принципу «никаких компромиссов в безопасности» проявилась в 2014 году, когда компания разработала первый в мире материал квантовых точек без кадмия. Чтобы обеспечить долговечность и качество изображения, Samsung внедрила технологию трехслойного защитного покрытия, которое защищает наночастицы фосфида индия от воздействия кислорода и света. В следующем году Samsung выпустила первый в мире коммерческий SUHD телевизор с квантовыми точками без содержания кадмия — настоящий прорыв в индустрии дисплеев, завершивший многолетние научные усилия.

«Квантовые точки на основе фосфида индия нестабильны и сложнее в синтезе по сравнению с аналогами на основе кадмия, изначально они достигали лишь около 80% их производительности, — рассказывает Сон. — Но благодаря усилиям в Исследовательском институте Samsung (SAIT) мы достигли 100% производительности и обеспечили надежность на срок более 10 лет».

▲ Три компонента квантовых точек

Квантовые точки в QLED-телевизорах Samsung состоят из трех элементов: ядра, в котором испускается свет; оболочки, защищающей и стабилизирующей ядро, и лиганда — полимерного покрытия, обеспечивающего устойчивость к окислению. Суть технологии квантовых точек заключается в безупречной интеграции этих трех компонентов. Это сложный промышленный процесс, который охватывает весь цикл — от добычи материалов до массового производства и патентования.

«Нельзя упускать из виду ни один из трех компонентов — ядро, оболочку и лиганд, — добавляет Ли. — Технология синтеза фосфида индия у Samsung действительно выдающаяся».

«Разработка технологии в лаборатории — это само по себе вызов. Но ее коммерциализация требует совершенно иных усилий для обеспечения стабильности и качества, — говорит Хён. — Я был искренне впечатлен тем, что Samsung удалось это сделать».

Новый стандарт квантовых точек

«Исследовательские тренды в академической среде заметно изменились после выхода телевизора с квантовыми точками Samsung»,

— До Чанг Ли, Корейский институт перспективных научных исследований и технологий (KAIST)

Оптические свойства квантовых точек находят применение во многих сферах: солнечных батареях, медицине и квантовых вычислениях. Но именно дисплеи стали наиболее широко изученной и коммерчески реализованной областью — с Samsung в роли пионера.

Основываясь на многолетнем опыте исследований и выпуске SUHD, Samsung в 2017 году представила QLED-телевизоры, установив новый стандарт премиальных дисплеев. В 2022 году компания продвинулась дальше, представив QD–OLED — первый в мире дисплей, сочетающий квантовые точки и OLED-структуру.

▲ Сравнение структур LCD, QLED и QD-OLED

QD–OLED — это дисплей нового поколения, в котором квантовые точки интегрированы в самосветящуюся структуру OLED. Такая архитектура обеспечивает более быстрый отклик, глубокий черный цвет и высокий контраст. QD–OLED от Samsung был признан «Дисплеем года» в 2023 году по версии SID — крупнейшей в мире организации в области дисплейных технологий.

«Samsung не только возглавила рынок с телевизорами на базе фосфида индия, но и стала единственной компанией, которой удалось интегрировать и коммерциализировать квантовые точки в OLED-дисплеях, — говорит Сон. — Используя наше лидерство в области квантовых точек, мы продолжим двигать индустрию вперед».

▲ До Чанг Ли

«Тенденции в научных исследованиях заметно изменились после выхода телевизоров Samsung с квантовыми точками, — сказал До Чанг Ли, профессор KAIST. — С момента их появления обсуждения все больше сосредотачиваются на практическом применении, а не только на самих материалах. Это отражает потенциал технологий дисплеев для реального мира».

«Были и попытки применения квантовых точек в таких направлениях, как фотокатализ, — добавляет он. — Но они все еще находятся на ранней стадии по сравнению с дисплеями».

Хён также подчеркнул, что коммерциализация телевизоров Samsung с квантовыми точками сыграла ключевую роль в присуждении Нобелевской премии Бавенди, Брусу и Екимову.

«Один из важнейших критериев вручения Нобелевской премии — это вклад технологии в человечество через коммерциализацию, — отметил он. — QLED от Samsung — одно из важнейших достижений нанотехнологий. Без коммерциализации квантовые точки вряд ли были бы удостоены Нобелевской премии».

Взгляд Samsung на дисплеи будущего

С момента запуска QLED-телевизоров Samsung ускорила развитие технологий квантовых точек в промышленности и науке. На вопрос о будущем дисплеев эксперты поделились своими взглядами:

«Мы исследуем самоизлучающие квантовые точки как технологию следующего поколения, — говорит Сон. — До сих пор для отображения красного и зеленого требовался внешний источник света. В будущем мы планируем создать квантовые точки, которые будут светиться сами за счет электролюминесценции, создавая три основных цвета путем подачи электрической энергии. Мы также работаем над разработкой синих квантовых точек».

«Электролюминесцентные материалы позволяют уменьшать размеры компонентов устройств, что дает возможность достигать высокой плотности пикселей, яркости и энергоэффективности, необходимых для виртуальной и дополненной реальности», — добавляет Ли, предсказывая масштабную трансформацию дисплеев.

«Хороший дисплей — это тот, который зритель не воспринимает как дисплей, — говорит Сон. — Наша конечная цель — добиться ощущения, неотличимого от реальности. Мы гордимся тем, что лидируем в инновациях квантовых точек, и продолжим двигаться вперед».

Сохраняя лидерство и следуя смелому технологическому видению, Samsung формирует будущее дисплеев, расширяя границы возможного с помощью квантовых точек.

^[1] Ионная связь — это химическая связь, при которой электроны передаются между атомами, образуя ионы, притягивающиеся за счет электростатических сил.

^[2] Ковалентная связь — это химическая связь, при которой два атома делят между собой электроны.