Наноразмерные источники излучения и светоизлучающие наноантенны уже получили практическое применение в различных сферах, таких как производство пикселей для высококачественных дисплеев, технологии детектирования света и самые современные оптические телекоммуникации. Тем не менее, масштабное изготовление разных оптических компонентов на основе разнообразных наноструктур сопряжено с существенными трудностями, поскольку материалы, пригодные для массового производства, зачастую характеризуются низкой люминесцентной эффективностью. Кроме того, хаотичное направление излучения одиночных квантовых точек или молекул снижает их полезную эффективность. Одним из способов решения проблемы создания высокоэффективных наноразмерных источников света является интеграция источника в непосредственной близости от светоизлучающей наноантенны, однако данная методика также влечет за собой ряд технологических сложностей.
Исследовательская группа из Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) нашла способ объединения наноантены и источника света в пределах одной единственной наночастицы. Благодаря этому получена возможность усиления и направления излучения в заданном направлении, а делается это за счет резонанса, в котором принимают участие экситоны, экзотические квазичастицы, состоящие наполовину из материи и наполовину из света.
“Мы использовали гибридный перовскит в качестве материала светоизлучающей наноантенны” – пишут исследователи, – “Мы изготовили тонкие перовскитовые пленки и создали из них наночастицы заданной формы, используя свет мощного импульсного лазера. По сравнению с другими подобными методами, наш метод прост и рентабелен”.
Изучая созданные ими же перовскитовые наночастицы, исследователи обнаружили, что интенсивность излучаемого ими света может быть увеличена, если частота этого света соответствует частоте так называемого Mie-резонанса. “Созданная нами комбинация экситонов с Mie-резонансом в перовскитовых наночастицах делает их эффективными источниками света, работающими при комнатной температуре”.
Кроме того, спектр света, излучаемого наночастицами, может быть изменен путем изменения концентрации анионов в материале. “Структура материала, при этом, остается практически неизменной, просто мы используем разные компоненты при синтезе тонкопленочного перовскита. Таким образом мы можем получить наночастицы, излучающие синий, красный, зеленый и любые другие цвета и оттенки света видимого спектра”.
В дальнейшем ученые из ИТМО продолжат исследовать перовскитовые светоизлучающие наночастицы, при изготовлении которых будут использоваться разные компоненты и химические вещества. Параллельно с этим будет вестись разработка технологий промышленного производства, при помощи которых в будущем могут быть созданы дисплеи и компактные оптические устройства со светоизлучающими наночастицами-наноантеннами.
Для любознательных
Идея звучит футуристично, но за ней стоят вполне конкретные инженерные задачи! Учёные объединяют наноантенны и источники света в единую наночастицу, чтобы преодолеть ограничения современных дисплеев и заложить основу для принципиально новых технологий. Я подобрала главные цели таких разработок.
- Улучшить управление светом. Наноантенна умеет локализовать и усиливать электромагнитное поле света в очень малом объёме. Если «подружить» её с источником света (например, с квантовой точкой — полупроводниковой наночастицей, которая сама испускает свет), можно заметно повысить эффективность: антенна будет лучше «собирать» свет от источника, направлять его в нужную сторону и усиливать. В итоге дисплей станет ярче при той же мощности, а энергопотребление снизится.
- Добиться сверхвысокой плотности пикселей. Когда каждая наночастица работает как самостоятельный элемент (пиксель), можно размещать их гораздо ближе друг к другу, чем традиционные субпиксели. Это открывает путь к разрешению в тысячи пикселей на дюйм (PPI), что критично для VR/AR-очков, гибких экранов или дисплеев с эффектом глубокого погружения.
- Решить проблему цветопередачи. В обычных дисплеях для получения цвета используют три субпикселя (красный, зелёный, синий). А гибридная наночастица способна за один раз генерировать свет сразу в нескольких диапазонах — то есть одна такая частица может давать полноценный RGB-сигнал. Это не только упрощает конструкцию, но и позволяет добиться более чистых, насыщенных цветов и расширить цветовой охват. В перспективе это приблизит отображение к тому, как цвет воспринимает человеческий глаз.
- Добавить динамическую настройку. Некоторые конструкции позволяют «на лету» менять свойства наночастицы (например, под действием электрического поля или лазерного импульса). Это значит, что цвет или интенсивность свечения отдельного элемента экрана можно быстро переключать, открывая возможности для адаптивных интерфейсов или сложных анимаций.
- Сделать дисплеи более гибкими и компактными. Наноструктуры можно наносить на тонкие, гибкие подложки. В связке с эффективными источниками света это прокладывает путь к гибким, сворачиваемым экранам для носимой электроники или встроенных в одежду дисплеев.
В целом такая синергия — шаг к дисплеям нового поколения: более энергоэффективным, с беспрецедентной чёткостью, расширенным цветовым диапазоном и новыми форм-факторами. Конечно, на пути от лаборатории к массовому продукту ещё много технических вызовов (стабильность материалов, масштабирование производства), но потенциал у направления огромный.
