A study of acousto-electron effects in semiconductor quantum dots and bionanocomplexes based on them using deep machine learning

Editorial Board PCSS Journal; Олеся Даньків; Андрій Столярчук; Олександр Війчук; Ігор Столярчук; Олег Кузик

doi:10.15330/pcss.26.4.882-887

Автор(и)

Олеся Даньків Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна
Андрій Столярчук Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна
Олександр Війчук Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна
Ігор Столярчук Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна
Олег Кузик Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.26.4.882-887

Ключові слова:

квантова точка виду ядро-оболонка, біонанокомплекс, акустоелектронний ефект, глибинне машинне навчання

Анотація

Розроблено архітектуру штучних нейронних мереж, яка здатна прогнозувати зміну енергетичного спектра напівпровідникових квантових точок та біонанокомплексів на їх основі під впливом акустичної хвилі та взаємодії з молекулами сироваткового альбуміну людини на основі заданих її геометричних розмірів, пружних сталих та констант деформаційного потенціалу дозволених енергетичних зон матеріалів квантової точки, частоти та амплітуди ультразвукової хвилі, поверхневої концентрації сироваткового альбуміну крові людини. Реалізовано та оптимізовано дві архітектури штучних нейронних мереж. Обидві моделі мають три приховані шари, проте друга архітектура передбачає розширення вхідного простору внаслідок додавання гармонічних функцій. Обидва підходи нейромережевого моделювання демонструють добре узгодження з результатами математичного моделювання за умови, що вхідні параметри лежать в межах навчального діапазону. У випадку, коли вхідні параметри лежать за межами навчальної вибірки, то істотно кращий результат демонструє модель з використанням додаткових гармонічних функцій на вході. У межах розробленої моделі для біонанокомплексу квантова точка CdSe / ZnS/CdS/ZnS – сироватковий альбумін крові людини досліджено залежність зсуву енергії кванта випромінювання від частоти акустичної хвилі при різних значеннях поверхневої концентрації альбуміну та різних геометричних розмірів ядра й оболонки квантової точки.

Посилання

H. Huang, O. Alkhazragi, D. Liang, F. Grillot, Future roles of solid-state quantum dot light sources, Appl. Phys. Lett., 126, 080501 (2025); https://doi.org/10.1063/5.0251447.

S.N. Sharma, P. Semalti, R. Bhawna, A.S. Rao, Pioneering advancements in quantum dot solar cells: Innovations in synthesis and cutting-edge applications, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 77, 101905 (2025); https://doi.org/10.1016/j.cocis.2025.101905.

C. Zhu, Z. Chen, S. Gao, B.L. Goh, I.B. Samsudin, K.W. Lwe, Y. Wu, C. Wu, X. Su, Recent advances in non-toxic quantum dots and their biomedical applications, Prog. Nat. Sci.: Mater. Int., 29, 628 (2019); https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2019.11.007.

M.S.B. Ağbulut, E. Elibol, M. Çadırcı et al., Fluorescent CdTe/ZnS Core/Shell Quantum Dots for Sensitive Metabolite Detection in Real Samples, J. Fluoresc. (2025); https://doi.org/10.1007/s10895-025-04138-9.

S. Souri, M. Marandi, Formation of a potential barrier by a ZnSXSe1−X electron-blocking layer to improve the efficiency of CdSe0.3S0.7/CdSe quantum dot sensitized solar cells, J. Electroanal. Chem., 964, 118331 (2024); https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118331.

M.A. Mimona, M.I.H. Rimon, F.T. Zohura, J.M. Sony, S.I. Rim, M.M.R. Arup, M.H. Mobarak, Quantum dot nanomaterials: Empowering advances in optoelectronic devices, Chem. Eng. J. Adv., 21, 100704 (2025); https://doi.org/10.1016/j.ceja.2025.100704.

G.S. Selopal, H. Zhao, Zh.M. Wang, Core/Shell Quantum Dots Solar Cells, Adv. Funct. Mater., 30, 1908762 (2020); https://doi.org/10.1002/adfm.201908762.

O.V. Kuzyk, O.O. Dan’kiv, R.M. Peleshchak, I.D. Stolyarchuk, Springer Proc. Phys., 312, 291 (2024); https://doi.org/10.1007/978-3-031-67527-0_31.

W. Yang, B. Zhang, N. Ding, W. Ding, L. Wang, M. Yu, Q. Zhang, Acoustoelectronic Effect in Semiconductor Quantum Dots with a Multilayer Shell, Ultrason. Sonochem., 30, 103 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2015.11.015.

F. Stewart, G. Cummins, M.V. Turcanu, Ultrasound mediated delivery of quantum dots from a proof of concept capsule endoscope to the gastrointestinal wall, Sci. Rep., 11, 2584 (2021); https://doi.org/10.1038/s41598-021-82240-1.

N.S. Awad, M. Haider, V. Paul, N.M. AlSawaftah, J. Jagal, R. Pasricha, G.A. Husseini, Ultrasound-Triggered Liposomes Encapsulating Quantum Dots as Safe Fluorescent Markers for Colorectal Cancer, Pharmaceutics, 13, 2073 (2021); https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13122073.

P.M. Tomchuk, N.I. Grigorchuk, D.V. Butenko, Generation of sound by metal nanoclusters in a dielectric matrix, Ukr. J. Phys, 55, 440 (2010); http://archive.ujp.bitp.kiev.ua/files/journals/55/4/550412p.pdf.

R.M. Peleshchak, O.V. Kuzyk, O.O. Dan’kiv, The influence of acoustic deformation on the recombination radiation in InAs/GaAs heterostructure with InAs quantum dots, Physica E, 119, 113988 (2020); https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.113988.

R. Wojnarowska-Nowak, J. Polit, A. Zięba, I.D. Stolyarchuk, S. Nowak, M. Romerowicz-Misielak, E.M. Sheregii, Colloidal quantum dots conjugated with human serum albumin – interactions and bioimaging properties, Opto-Electron. Rev., 25, 137 (2017); https://doi.org/10.1016/j.opelre.2017.04.004.

J.R. Taylor, D.S. Sankar, Vision transformer based deep learning of topological indicators in Majorana nanowires, Phys. Rev. B, 111, 104208 (2025); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.104208.

E. Corcione, F. Jakob, L. Wagner et al., Machine learning enhanced evaluation of semiconductor quantum dots, Sci. Rep., 14, 4154 (2024); https://doi.org/10.1038/s41598-024-54615-7.

M. Prabhune, G. Belge, A. Dotzauer, J. Bullerdiek, M.Radmacher, Comparison of mechanical properties of normal and malignant thyroid cells, Micron, 43 (12), 1267 (2012); https://doi.org/10.1016/j.micron.2012.03.023.

O. Kuzyk, O. Dan’kiv, R. Peleshchak, I. Stolyarchuk, V. Kuhivchak, Modeling the deformation of the semiconductor quantum dot with a multilayer shell in a living cell, Phys. Chem. Solid State, 24, 675(2023); https://doi.org/10.15330/pcss.24.4.675-681.