Premiul Nobel pentru Chimie din 2023 a fost acordat pentru descoperirea și dezvoltarea punctelor cuantice. Comitetul Nobel a declarat: „Punctele cuantice aduc cele mai mari beneficii omenirii, iar explorarea potențialului lor abia a început”. Acest premiu nu numai că reprezintă cea mai înaltă recunoaștere a cercetării punctelor cuantice, dar subliniază și potențialul său enorm în domenii precum iluminatul afișajelor, cataliza energetică, biomedicina și tehnologia cuantică. Acest raport special se concentrează pe punctele cuantice de siliciu, în special pe sistemele dispersate în solvent, introducând sistematic progresele cercetării în metodele de sinteză, proprietățile structurale și proprietățile optice, precum și aplicarea lor în diodele emițătoare de lumină (LED-uri) procesate în soluție.
Punctele cuantice sunt nanocristale semiconductoare cu dimensiuni de doar câțiva nanometri. Punctele cuantice coloidale posedă mai multe avantaje unice: emisia full-color, cu dimensiune reglabilă, poate fi obținută prin procese fără vid; randamentul lor cuantic de fotoluminescență se poate apropia de 100%; au o lățime de bandă de emisie îngustă de 20-40 nm, cu o gamă de culori de trei până la patru ori mai mare decât cea a diodelor organice emițătoare de lumină; și pot fi preparate la temperatura camerei folosind metode de soluție la temperatură scăzută. Datorită acestor caracteristici, au fost realizate structuri miez-coajă cu control ingineresc al benzii interzise înguste, iar produse comerciale, cum ar fi televizoarele cu puncte cuantice, au fost dezvoltate cu succes. Privind în perspectivă, se așteaptă ca punctele cuantice să joace un rol central în dezvoltarea LED-urilor miniaturale, a LED-urilor de dimensiuni micronice și a tehnologiilor LED cu puncte cuantice și să impulsioneze dezvoltarea tehnologiilor de generație următoare pentru optoelectronica centrată pe om, cum ar fi dispozitivele purtabile extensibile. Impulsată de acest val tehnologic, se preconizează că piața globală a punctelor cuantice va continua să se extindă cu o rată anuală compusă (CAGR) de 9,47%.
Cu toate acestea, aplicarea pe scară largă a tehnologiei punctelor cuantice se confruntă încă cu trei provocări majore: în primul rând, disponibilitatea materiilor prime este dificilă și poate prezenta riscuri de siguranță. În prezent, punctele cuantice disponibile comercial sunt în mare parte bazate pe materiale metalice grele, cum ar fi metalul rar indiu și metalele toxice cadmiu și plumb. În schimb, punctele cuantice din siliciu coloidal și nanomaterialele lor sunt în mod inerent lipsite de metale grele și halogeni, oferind o alternativă ideală pentru afișaje sustenabile de generație următoare, iluminat în stare solidă, imagistică biomedicală și chiar câmpuri cuantice de ultimă generație. În al doilea rând, blocajul de eficiență al punctelor cuantice trebuie depășit urgent. Deși punctele cuantice pe bază de cadmiu și perovskit au atins un randament cuantic de aproape 100%, sistemele fără metale grele au rămas mult timp în urmă din cauza defectelor de suprafață și a pasivării incomplete. În mod încurajator, cercetările recente au crescut randamentul cuantic al punctelor cuantice din siliciu la peste 70%. În al treilea rând, metodele de sinteză existente au nevoie urgentă de simplificare. Metoda de injecție la cald, utilizată pe scară largă, necesită injectarea rapidă a precursorului într-un solvent la temperatură înaltă pentru a declanșa nucleația, ceea ce impune cerințe stricte privind controlul temperaturii, atmosfera inertă și echipamentele specializate, ceea ce duce la costuri ridicate pentru producția la scară largă. Mai important, în prezent nu există niciun precursor sau solvent adecvat care să poată sintetiza puncte cuantice de siliciu atât cu cristalinitate ridicată, cât și cu proprietăți optice excelente folosind metoda de injecție la cald.
În ultimele două decenii, echipa de cercetare a avansat sistematic în mai multe etape importante în cercetarea punctelor cuantice de siliciu: obținerea emisiei tricolore și a emisiei continue de lumină albă; dezvoltarea primei diode cu puncte cuantice de siliciu care emite lumină albastru-cer; dezvoltarea unei căi de sinteză cu costuri reduse care reduce costurile de producție de sute până la mii de ori; prepararea de diode cu puncte cuantice de siliciu sustenabile folosind coji de orez; obținerea de puncte cuantice de siliciu cu un randament cuantic de aproximativ 80% și o cristalinitate bine definită; fabricarea de pelicule subțiri tricolore durabile roșii, verzi și albastre; realizarea de dispozitive cu diode emițătoare de lumină cu o eficiență cuantică externă care depășește 10%; și stabilirea a patru recorduri de performanță.
Ken-ichi Saitow și colab. de la Universitatea Hiroshima, Japonia, au rezumat metodele de sinteză, caracteristicile structurale și proprietățile fotofizice ale punctelor cuantice de siliciu înalt cristalin, cu un randament cuantic de până la 80%, într-un raport special. După sublinierea avantajelor punctelor cuantice de siliciu, accentul se mută pe calea sintetică a punctelor cuantice de siliciu coloidal, în special metoda polimerului hidrogen silsesquioxan. Această metodă elimină necesitatea unei etape de injecție la cald și poate fi efectuată în condiții de temperatură ambientală blândă, evitând cerințele de injecție rapidă a precursorilor și procedurile de operare stricte. Acest lucru simplifică semnificativ procesul experimental și facilitează producția la scară largă. Materialele derivate din hidrogen silsesquioxan preparate pe baza acestei căi sintetice demonstrează în continuare realizările record în domeniul diodelor emițătoare de lumină cu puncte cuantice de siliciu, în funcție de patru indicatori cheie de performanță.