Minuscolo, particelle di facile produzione, chiamati punti quantici, potrebbe presto prendere il posto dei più costosi semiconduttori a cristallo singolo nell'elettronica avanzata che si trova nei pannelli solari, sensori della fotocamera e strumenti di imaging medico. Sebbene i punti quantici abbiano iniziato a irrompere nel mercato dei consumatori, sotto forma di televisori a punti quantici, sono stati ostacolati da incertezze di lunga data sulla loro qualità. Ora, una nuova tecnica di misurazione sviluppata dai ricercatori della Stanford University potrebbe finalmente sciogliere questi dubbi.

"I semiconduttori tradizionali sono cristalli singoli, coltivato sottovuoto in condizioni speciali. Questi possiamo fare in grandi numeri, nel pallone, in un laboratorio e abbiamo dimostrato che sono buoni quanto i migliori cristalli singoli, " ha detto David Hanifi, studente laureato in chimica a Stanford e co-autore dell'articolo scritto su questo lavoro, pubblicato il 15 marzo in Scienza .

I ricercatori si sono concentrati sull'efficienza con cui i punti quantici riemettono la luce che assorbono, una misura rivelatrice della qualità dei semiconduttori. Mentre i precedenti tentativi di calcolare l'efficienza dei punti quantici suggerivano prestazioni elevate, questo è il primo metodo di misurazione per dimostrare con sicurezza che potrebbero competere con i singoli cristalli.

Questo lavoro è il risultato di una collaborazione tra i laboratori di Alberto Salleo, professore di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, e Paul Alivisatos, il Samsung Distinguished Professor of Nanoscience and Nanotechnology presso l'Università della California, Berkeley, che è un pioniere nella ricerca sui punti quantici e autore senior dell'articolo. Alivisatos ha sottolineato come la tecnica di misurazione potrebbe portare allo sviluppo di nuove tecnologie e materiali che richiedono una conoscenza approfondita dell'efficienza dei nostri semiconduttori.

"Questi materiali sono così efficienti che le misurazioni esistenti non sono state in grado di quantificare quanto siano buoni. Questo è un enorme balzo in avanti, " ha affermato Alivisatos. "Un giorno potrebbe consentire applicazioni che richiedono materiali con un'efficienza di luminescenza ben superiore al 99 percento, la maggior parte dei quali non è stata ancora inventata."

Tra 99 e 100

Essere in grado di rinunciare alla necessità di costose apparecchiature di fabbricazione non è l'unico vantaggio dei punti quantici. Anche prima di questo lavoro, c'erano segni che i punti quantici potessero avvicinarsi o superare le prestazioni di alcuni dei migliori cristalli. Sono inoltre altamente personalizzabili. Cambiando le loro dimensioni cambia la lunghezza d'onda della luce che emettono, una funzione utile per applicazioni basate sul colore come l'etichettatura di campioni biologici, TV o monitor di computer.

Nonostante queste qualità positive, la piccola dimensione dei punti quantici significa che potrebbero volerci miliardi di essi per fare il lavoro di uno grande, monocristallo perfetto. Fare così tanti di questi punti quantici significa più possibilità che qualcosa cresca in modo errato, più possibilità per un difetto che può ostacolare le prestazioni. Le tecniche che misurano la qualità di altri semiconduttori in precedenza suggerivano che i punti quantici emettessero oltre il 99 percento della luce che assorbono, ma ciò non era sufficiente per rispondere alle domande sul loro potenziale di difetti. Per fare questo, i ricercatori avevano bisogno di una tecnica di misurazione più adatta a valutare con precisione queste particelle.

"Vogliamo misurare l'efficienza delle emissioni nell'ambito del 99,9-99,999% perché, se i semiconduttori sono in grado di riemettere sotto forma di luce ogni fotone che assorbono, puoi fare scienza davvero divertente e creare dispositivi che non sono mai esistiti prima, " disse Hanif.

La tecnica dei ricercatori prevedeva il controllo del calore in eccesso prodotto da punti quantici energizzati, piuttosto che valutare solo l'emissione di luce perché il calore in eccesso è un segno di emissione inefficiente. Questa tecnica, comunemente usato per altri materiali, non era mai stato applicato per misurare i punti quantici in questo modo ed era 100 volte più preciso di quello che altri hanno usato in passato. Hanno scoperto che gruppi di punti quantici emettevano in modo affidabile circa il 99,6 percento della luce che assorbivano (con un errore potenziale dello 0,2 percento in entrambe le direzioni), che è paragonabile alle migliori emissioni monocristalline.

"È stato sorprendente che un film con molti potenziali difetti sia buono quanto il semiconduttore più perfetto che si possa realizzare, " disse Salleo, chi è coautore dell'articolo.

Contrariamente alle preoccupazioni, i risultati suggeriscono che i punti quantici sono sorprendentemente tolleranti ai difetti. La tecnica di misurazione è anche la prima a risolvere con fermezza il confronto tra le diverse strutture di punti quantici:i punti quantici con esattamente otto strati atomici di uno speciale materiale di rivestimento emettono la luce più velocemente, un indicatore di qualità superiore. La forma di quei punti dovrebbe guidare la progettazione di nuovi materiali che emettono luce, disse Alivisato.

Tecnologie completamente nuove

Questa ricerca fa parte di una raccolta di progetti all'interno di un Centro di ricerca di frontiera energetica finanziato dal Dipartimento dell'energia, chiamata Fotonica ai Limiti Termodinamici. Guidato da Jennifer Dionne, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali a Stanford, l'obiettivo del centro è creare materiali ottici, materiali che influenzano il flusso di luce, con la massima efficienza possibile.

Un passo successivo in questo progetto è lo sviluppo di misurazioni ancora più precise. Se i ricercatori possono determinare che questi materiali raggiungono efficienze pari o superiori al 99,999 percento, che apre la possibilità per le tecnologie che non abbiamo mai visto prima. Questi potrebbero includere nuovi coloranti luminosi per migliorare la nostra capacità di guardare la biologia su scala atomica, raffreddamento luminescente e concentratori solari luminescenti, che consentono a un insieme relativamente piccolo di celle solari di assorbire energia da una vasta area di radiazione solare. Detto tutto questo, le misurazioni che hanno già stabilito sono una pietra miliare a loro volta, probabilmente incoraggerà un impulso più immediato nella ricerca e nelle applicazioni dei punti quantici.

"Le persone che lavorano su questi materiali a punti quantici hanno pensato per più di un decennio che i punti potessero essere efficienti quanto i materiali a cristallo singolo, " disse Hanif, "e ora abbiamo finalmente le prove."