Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2023 roku została przyznana za odkrycie i rozwój kropek kwantowych. Komitet Noblowski stwierdził: „"Kropki kwantowe przynoszą ludzkości największe korzyści, a nasze badania nad ich potencjałem dopiero się rozpoczęły”. " Ta nagroda nie tylko stanowi najwyższe uznanie dla badań nad kropkami kwantowymi, ale także podkreśla ich ogromny potencjał w takich dziedzinach jak oświetlenie wyświetlaczy, kataliza energetyczna, biomedycyna i technologia kwantowa. Niniejszy raport specjalny koncentruje się na krzemowych kropkach kwantowych, a w szczególności na układach zdyspergowanych w rozpuszczalnikach, systematycznie prezentując postęp badań w zakresie metod syntezy, właściwości strukturalnych i optycznych, a także ich zastosowania w diodach elektroluminescencyjnych (LED) wytwarzanych metodą roztworową.
Kropki kwantowe to półprzewodnikowe nanokryształy o wymiarach zaledwie kilku nanometrów. Koloidalne kropki kwantowe posiadają kilka unikalnych zalet: regulowaną rozmiarowo emisję pełnokolorową można uzyskać w procesach bezpróżniowych; ich wydajność kwantowa fotoluminescencji może sięgać 100%; charakteryzują się wąskim pasmem emisji wynoszącym 20-40 nm, z gamą barw trzy do czterech razy większą niż w przypadku organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED); można je wytwarzać w temperaturze pokojowej, stosując metody niskotemperaturowe. Dzięki tym właściwościom udało się uzyskać struktury typu rdzeń-powłoka z wąską przerwą energetyczną, a także z powodzeniem opracowano produkty komercyjne, takie jak telewizory z kropkami kwantowymi. W przyszłości oczekuje się, że kropki kwantowe odegrają kluczową rolę w rozwoju miniaturowych diod LED, mikronowych diod LED i technologii diod LED opartych na kropkach kwantowych, a także będą motorem napędowym rozwoju technologii nowej generacji dla optoelektroniki zorientowanej na człowieka, takiej jak rozciągliwe urządzenia noszone. Napędzany tą falą technologiczną, przewiduje się, że światowy rynek kropek kwantowych będzie się nadal rozwijał ze średnioroczną stopą wzrostu (CAGR) na poziomie 9,47%.
Jednak powszechne zastosowanie technologii kropek kwantowych wciąż stoi przed trzema głównymi wyzwaniami: Po pierwsze, dostępność surowców jest ograniczona i może stwarzać zagrożenia dla bezpieczeństwa. Obecnie dostępne komercyjnie kropki kwantowe opierają się głównie na materiałach z metali ciężkich, takich jak rzadki metal ind oraz metale toksyczne, takie jak kadm i ołów. Natomiast kropki kwantowe z koloidalnego krzemu i ich nanomateriały są z natury wolne od metali ciężkich i halogenów, stanowiąc idealną alternatywę dla zrównoważonych wyświetlaczy nowej generacji, oświetlenia półprzewodnikowego, obrazowania biomedycznego, a nawet najnowocześniejszych pól kwantowych. Po drugie, wąskie gardło wydajności kropek kwantowych musi zostać pilnie pokonane. Chociaż kropki kwantowe na bazie kadmu i perowskitu osiągnęły prawie 100% wydajność kwantową, systemy bez metali ciężkich od dawna pozostają w tyle z powodu defektów powierzchni i niepełnej pasywacji. Co zachęcające, ostatnie badania zwiększyły wydajność kwantową krzemowych kropek kwantowych do ponad 70%. Po trzecie, istniejące metody syntezy pilnie wymagają uproszczenia. Powszechnie stosowana metoda wtrysku na gorąco wymaga szybkiego wstrzyknięcia prekursora do rozpuszczalnika o wysokiej temperaturze w celu zainicjowania nukleacji, co stawia rygorystyczne wymagania dotyczące kontroli temperatury, atmosfery obojętnej i specjalistycznego sprzętu, co przekłada się na wysokie koszty produkcji na dużą skalę. Co ważniejsze, obecnie nie ma odpowiedniego prekursora ani rozpuszczalnika, które umożliwiałyby syntezę krzemowych kropek kwantowych o wysokiej krystaliczności i doskonałych właściwościach optycznych metodą wtrysku na gorąco.
W ciągu ostatnich dwóch dekad zespół badawczy systematycznie poczynił kilka kamieni milowych w badaniach nad kropkami kwantowymi z krzemu: osiągnięcie emisji trójbarwnej i ciągłej emisji światła białego; opracowanie pierwszej krzemowej diody kwantowej emitującej światło niebieskie; opracowanie taniej metody syntezy, która obniża koszty produkcji setki, a nawet tysiące razy; przygotowanie zrównoważonych krzemowych diod kwantowych z wykorzystaniem łusek ryżowych; uzyskanie krzemowych kropek kwantowych o wydajności kwantowej wynoszącej około 80% i dobrze zdefiniowanej krystaliczności; wytworzenie trwałych cienkich warstw trójbarwnych w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim; uzyskanie urządzeń z diodami elektroluminescencyjnymi o zewnętrznej wydajności kwantowej przekraczającej 10%; oraz ustanowienie czterech rekordów wydajności.
Ken-ichi Saitow i wsp. z Uniwersytetu w Hiroszimie w Japonii podsumowali metody syntezy, charakterystykę strukturalną i właściwości fotofizyczne wysokokrystalicznych krzemowych kropek kwantowych o wydajności kwantowej sięgającej 80% w specjalnym raporcie. Po omówieniu zalet krzemowych kropek kwantowych, uwaga skupia się na metodzie syntezy koloidalnych krzemowych kropek kwantowych, a w szczególności na metodzie polimeru wodorowego silseskwioksanu. Metoda ta eliminuje potrzebę etapu wtrysku na gorąco i może być przeprowadzana w łagodnych warunkach temperatury pokojowej, unikając konieczności szybkiego wtrysku prekursora i rygorystycznych procedur operacyjnych. To znacznie upraszcza proces eksperymentalny i ułatwia produkcję na dużą skalę. Materiały pochodzące z wodorowego silseskwioksanu, przygotowane w oparciu o tę metodę syntezy, dodatkowo potwierdzają rekordowe osiągnięcia w dziedzinie krzemowych diod elektroluminescencyjnych z kropek kwantowych w zakresie czterech kluczowych wskaźników wydajności.