I punti quantici sono una sorta di atomo artificiale:grandi solo pochi nanometri e realizzati con materiali semiconduttori, possono emettere luce di un colore specifico o anche singoli fotoni, il che è importante per le tecnologie quantistiche. Gli scopritori e i pionieri della produzione commerciale di punti quantici hanno ricevuto il Premio Nobel per la chimica nel 2023.
Negli ultimi anni, i punti quantici costituiti da perovskiti hanno attirato particolare attenzione. Le perovskiti appartengono ad una classe di materiali che hanno una struttura simile al minerale perovskite (titanato di calcio). Punti quantici costituiti da tali materiali sono stati prodotti per la prima volta dall'ETH di Zurigo nel 2015.
Questi punti quantici costituiti da nanocristalli di perovskite possono essere miscelati con liquidi per formare una dispersione, che li rende facili da elaborare ulteriormente. Inoltre, le loro speciali proprietà ottiche li fanno brillare più intensamente di molti altri punti quantici. Possono anche essere prodotti a costi più bassi, il che li rende interessanti, ad esempio, per applicazioni nei display.
Un team di ricercatori guidato da Maksym Kovalenko dell’ETH di Zurigo e dell’Empa, lavorando in collaborazione con colleghi in Ucraina e negli Stati Uniti, ha ora dimostrato come queste promettenti proprietà dei punti quantici di perovskite possano essere ulteriormente migliorate. Hanno utilizzato metodi chimici per il trattamento superficiale ed effetti quantomeccanici che non erano mai stati osservati prima nei punti quantici di perovskite. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati in due articoli su Nature .
Gli atomi infelici riducono la luminosità
La luminosità è una misura importante per i punti quantici ed è correlata al numero di fotoni che il punto quantico emette al secondo. I punti quantici irradiano fotoni di un colore specifico (e quindi di una frequenza) dopo essere stati eccitati, ad esempio, dalla luce ultravioletta di una frequenza più elevata.
Ciò porta alla formazione di un eccitone costituito da un elettrone, che ora può muoversi più liberamente, e da una lacuna, cioè da un elettrone mancante, nella struttura a bande energetiche del materiale. L'elettrone eccitato può ricadere in uno stato energetico inferiore e quindi ricombinarsi con la lacuna. Se l'energia rilasciata durante questo processo viene convertita in un fotone, il punto quantico emette luce.
Questo però non sempre funziona. "Sulla superficie dei nanocristalli di perovskite si trovano atomi 'infelici' a cui manca un vicino nel reticolo cristallino", spiega il ricercatore senior Gabriele Raino. Questi atomi marginali disturbano l'equilibrio tra i portatori di carica positiva e negativa all'interno del nanocristallo e possono far sì che l'energia rilasciata durante una ricombinazione venga convertita in vibrazioni reticolari invece di essere emessa come luce. Di conseguenza, il punto quantico "lampeggia", nel senso che non brilla continuamente.
Per evitare che ciò accada, Kovalenko e il suo team hanno sviluppato molecole su misura note come fosfolipidi. "Questi fosfolipidi sono molto simili ai liposomi in cui, ad esempio, il vaccino mRNA contro il coronavirus è incorporato in modo tale da renderlo stabile nel flusso sanguigno finché non raggiunge le cellule", spiega Kovalenko.
Una differenza importante:i ricercatori hanno ottimizzato le loro molecole in modo che la parte polare (elettricamente sensibile) della molecola si attacchi alla superficie dei punti quantici di perovskite e si assicuri che gli atomi "infelici" siano dotati di un partner di carica.
La parte non polare del fosfolipide che sporge all'esterno permette inoltre di trasformare i punti quantici in una dispersione all'interno di soluzioni non acquose come i solventi organici. Il rivestimento lipidico sulla superficie dei nanocristalli di perovskite è importante anche per la loro stabilità strutturale, come sottolinea Kovalenko:"Questo trattamento superficiale è assolutamente essenziale per qualsiasi cosa potremmo voler fare con i punti quantici."
Finora, Kovalenko e il suo team hanno dimostrato il trattamento per i punti quantici realizzati con perovskiti agli alogenuri di piombo, ma può anche essere facilmente adattato ad altri punti quantici agli alogenuri metallici.
Ancora più luminoso grazie alla superradianza
Con la superficie lipidica è stato possibile ridurre il lampeggio dei punti quantici a tal punto da emettere un fotone nel 95% degli eventi di ricombinazione elettrone-lacuna. Per rendere il punto quantico ancora più luminoso, tuttavia, i ricercatori hanno dovuto aumentare la velocità della ricombinazione stessa, e ciò richiede la meccanica quantistica.
Uno stato eccitato, come un eccitone, decade quando un dipolo (le cariche positive e negative si spostano l'una rispetto all'altra) interagisce con il campo elettromagnetico del vuoto. Più grande è il dipolo, più veloce è il decadimento. Una possibilità per creare un dipolo più grande implica l'accoppiamento coerente di diversi dipoli più piccoli tra loro. Questo può essere paragonato agli orologi a pendolo che sono collegati meccanicamente e ticchettano al passo tra loro dopo un certo periodo di tempo.
I ricercatori sono stati in grado di dimostrare sperimentalmente che l'accoppiamento coerente funziona anche nei punti quantici di perovskite, con un solo dipolo eccitonico che, attraverso effetti quantomeccanici, si diffonde su tutto il volume del punto quantico, creando così diverse copie di se stesso, come fosse. Più grande è il punto quantico, più copie possono essere create. Queste copie possono provocare un effetto noto come superradianza, grazie al quale l'eccitone si ricombina molto più velocemente.
Di conseguenza il punto quantico è pronto anche più rapidamente ad accogliere un nuovo eccitone e può quindi emettere più fotoni al secondo, rendendolo ancora più luminoso. Un dettaglio importante da notare è che il punto quantico più veloce continua a emettere singoli fotoni (non diversi fotoni contemporaneamente), il che lo rende adatto alle tecnologie quantistiche.
I punti quantici di perovskite migliorati non sono interessanti solo per la produzione di luce e i display, dice Kovalenko, ma anche in altri campi meno ovvi. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati come catalizzatori attivati dalla luce nella chimica organica. Kovalenko sta conducendo ricerche su tali applicazioni e molte altre, anche nell'ambito di NCCR Catalysis.
Ulteriori informazioni: Chenglian Zhu et al, Superradianza di un singolo fotone in singoli punti quantici di alogenuro di piombo di cesio, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07001-8. www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8
Viktoriia Morad et al, progettista di ligandi di copertura fosfolipidici per nanocristalli di alogenuri metallici morbidi, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06932-6
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito da ETH Zurigo
