Un nuovo articolo in Scienza rivista offre una panoramica di quasi tre decenni di ricerca sui punti quantici colloidali, valuta il progresso tecnologico per queste specifiche nanometriche di materia semiconduttrice, e soppesa le restanti sfide sul percorso verso una commercializzazione diffusa per questa promettente tecnologia con applicazioni in tutto, dai televisori ai collettori di luce solare altamente efficienti.

"Trenta anni fa, queste strutture erano solo oggetto di curiosità scientifica studiata da un piccolo gruppo di appassionati. Negli anni, i punti quantici sono diventati materiali di livello industriale sfruttati in una gamma di tecnologie tradizionali ed emergenti, alcuni dei quali hanno già trovato la loro strada nei mercati commerciali, " ha detto Victor I. Klimov, un coautore dell'articolo e leader del team che conduce la ricerca sui punti quantici presso il Los Alamos National Laboratory.

Molti progressi descritti nel Scienza articolo nato a Los Alamos, inclusa la prima dimostrazione del laser a punti quantici colloidale, la scoperta della moltiplicazione delle portanti, ricerca pionieristica sui diodi a emissione di luce (LED) a punti quantici e sui concentratori solari luminescenti, e recenti studi su emettitori quantistici a punto singolo.

Utilizzando la moderna chimica colloidale, le dimensioni e la struttura interna dei punti quantici possono essere manipolate con precisione quasi atomica, che consente un controllo estremamente accurato delle loro proprietà fisiche e quindi dei comportamenti nei dispositivi pratici.

Numerosi sforzi in corso sulle applicazioni pratiche dei punti quantici colloidali hanno sfruttato la sintonizzabilità controllata dalle dimensioni del loro colore di emissione e rese quantiche ad alta emissione vicino al limite ideale del 100%. Queste proprietà sono attraenti per gli schermi e l'illuminazione, le tecnologie in cui i punti quantici vengono utilizzati come fosfori per la conversione del colore. A causa della loro banda stretta, emissione spettrale sintonizzabile, i punti quantici consentono una migliore purezza del colore e una copertura più completa dell'intero spazio colore rispetto ai materiali di fosforo esistenti. Alcuni di questi dispositivi, come i televisori a punti quantici, hanno già raggiunto la maturità tecnologica e sono disponibili nei mercati commerciali.

La prossima frontiera è creare LED tecnologicamente validi, alimentato da punti quantici azionati elettricamente. Il Scienza La revisione descrive vari approcci per implementare questi dispositivi e discute le sfide esistenti. I LED Quantum hanno già raggiunto una luminosità impressionante e un'efficienza quasi ideale vicino ai limiti teoricamente definiti. Gran parte di questo progresso è stato guidato da continui progressi nella comprensione dei fattori limitanti le prestazioni come la ricombinazione Auger non radiativa.

L'articolo discute anche lo stato e le sfide dei laser a punti quantici processabili in soluzione.

"La messa a disposizione di questi laser andrebbe a vantaggio di una serie di tecnologie, compresi circuiti fotonici integrati, comunicazione ottica, piattaforme lab-on-a-chip, dispositivi indossabili, e diagnostica medica, " ha detto Klimov.

I ricercatori di Los Alamos hanno contribuito a importanti progressi in questo settore, compresa la delucidazione dei meccanismi per l'amplificazione della luce nelle nanostrutture colloidali e la prima dimostrazione di un effetto laser utilizzando questi materiali.

"La sfida principale attuale è dimostrare il laser con il pompaggio elettrico, "Klimov ha detto. "Los Alamos è stato responsabile di diverse importanti pietre miliari sul percorso verso questo obiettivo, tra cui la realizzazione del guadagno ottico con eccitazione elettrica e lo sviluppo di dispositivi a doppia funzione che funzionano come un laser pompato otticamente e un LED elettrico standard. ."

I punti quantici sono anche di grande potenziale utilità nelle tecnologie di raccolta solare e di rilevamento della luce. A causa del loro bandgap sintonizzabile, possono essere progettati per indirizzare una particolare gamma di lunghezze d'onda, che è particolarmente interessante per realizzare fotorivelatori economici per la gamma spettrale dell'infrarosso. Nel campo delle tecnologie per l'energia solare, i punti quantici colloidali sono stati sfruttati come elementi attivi sia delle celle solari che dei collettori di luce solare luminescente.

Nel caso del fotovoltaico (PV), l'approccio del punto quantico potrebbe essere utilizzato per realizzare una nuova generazione di dispositivi fotovoltaici a film sottile preparati mediante tecniche scalabili basate su soluzioni come l'elaborazione roll-by-roll. Inoltre, potrebbero consentire schemi di fotoconversione concettualmente nuovi derivati ​​da processi fisici unici per particelle colloidali "quantiche confinate" ultrapiccole. Uno di questi processi, moltiplicazione portante, genera più coppie elettrone-lacuna da un singolo fotone assorbito. Questo processo, segnalato per la prima volta dai ricercatori di Los Alamos nel 2004, è stato oggetto di intense ricerche nel contesto delle sue applicazioni sia nel fotovoltaico che nella fotochimica solare.

"Un'altra area molto promettente sono i concentratori solari luminescenti a punti quantici o LSC, " Klimov ha detto. "Utilizzando l'approccio LSC, uno può, in linea di principio, convertire finestre standard o rivestimenti per pareti in dispositivi di generazione di energia. Insieme ai moduli solari sul tetto, questo potrebbe aiutare a fornire energia pulita a un intero edificio. Mentre il concetto LSC è stato introdotto negli anni '70, è veramente fiorito solo di recente grazie all'introduzione di punti quantici appositamente progettati."

I ricercatori di Los Alamos hanno contribuito a molti importanti progressi nel campo dell'LSC, compreso lo sviluppo di approcci pratici per affrontare il problema dell'autoassorbimento della luce e lo sviluppo di dispositivi a doppio strato (tandem) ad alta efficienza. Diverse start up, tra cui uno spin-off di Laboratorio, UbiQD Inc., hanno attivamente perseguito la commercializzazione di una tecnologia LSC a punti quantici.