Нобеловата награда за химия за 2023 г. беше присъдена за откриването и разработването на квантови точки. Нобеловият комитет заяви: „Дддддххх Квантовите точки носят най-големи ползи за човечеството и изследването на техния потенциал едва сега започва.“Ддддххх Тази награда не само представлява най-високото признание за изследванията в областта на квантовите точки, но и подчертава огромния им потенциал в области като осветление на дисплеи, енергиен катализ, биомедицина и квантова технология. Този специален доклад се фокусира върху силициевите квантови точки, по-специално върху системи, диспергирани в разтворител, като систематично представя напредъка в изследванията в методите на синтез, структурните свойства и оптичните свойства, както и приложението им в светодиоди (Светодиод), обработени в разтвор.
Квантовите точки са полупроводникови нанокристали с размери само няколко нанометра. Колоидните квантови точки притежават няколко уникални предимства: емисия с регулируем размер в пълен цвят може да се постигне чрез невакуумни процеси; техният квантов добив на фотолуминесценция може да достигне 100%; те имат тясна емисионна честотна лента от 20-40 нм, с цветова гама три до четири пъти по-голяма от тази на органичните светодиоди; и могат да бъдат приготвени при стайна температура, използвайки нискотемпературни методи на разтвор. Благодарение на тези характеристики са реализирани структури тип „ядро-обвивка“ с инженерен контрол на тясна забранена зона и са успешно разработени търговски продукти като квантови точкови телевизори. В бъдеще се очаква квантовите точки да играят централна роля в разработването на миниатюрни светодиоди, светодиоди с микронен размер и квантови точкови Светодиод технологии и да стимулират разработването на технологии от следващо поколение за човекоцентрирана оптоелектроника, като например разтегливи носими устройства. Воден от тази технологична вълна, се очаква световният пазар на квантови точки да продължи да се разширява със CAGR (средногодишна годишна стойност на растежа) от 9,47%.
Въпреки това, широкото приложение на технологията с квантови точки все още е изправено пред три основни предизвикателства: Първо, наличието на суровини е трудно и може да представлява риск за безопасността. В момента предлаганите в търговската мрежа квантови точки са базирани предимно на тежки метали, като например редкия метал индий и токсичните метали кадмий и олово. За разлика от тях, колоидните силициеви квантови точки и техните наноматериали по своята същност не съдържат тежки метали и халогени, което е идеална алтернатива за устойчиви дисплеи от следващо поколение, твърдотелно осветление, биомедицинско изобразяване и дори авангардни квантови полета. Второ, спешно трябва да се преодолее пречката в ефективността на квантовите точки. Въпреки че квантовите точки на базата на кадмий и перовскит са постигнали близо 100% квантов добив, системите без тежки метали отдавна изостават поради повърхностни дефекти и непълна пасивация. Окуражаващо е, че последните изследвания са увеличили квантовия добив на силициеви квантови точки до над 70%. Трето, съществуващите методи за синтез спешно се нуждаят от опростяване. Широко използваният метод на горещо инжектиране изисква бързо инжектиране на прекурсора във високотемпературен разтворител, за да се предизвика нуклеация, което поставя строги изисквания към контрола на температурата, инертната атмосфера и специализираното оборудване, което води до високи разходи за мащабно производство. По-важното е, че понастоящем няма подходящ прекурсор или разтворител, който може да синтезира силициеви квантови точки с висока кристалност и отлични оптични свойства, използвайки метода на горещо инжектиране.
През последните две десетилетия изследователският екип систематично е постигнал няколко важни етапа в изследванията на силициеви квантови точки: постигане на трицветна емисия и непрекъсната емисия на бяла светлина; разработване на първия силициев квантов точков диод, излъчващ небесносиня светлина; разработване на нискобюджетен синтезен маршрут, който намалява производствените разходи стотици до хиляди пъти; подготовка на устойчиви силициеви квантови точкови диоди с помощта на оризови люспи; получаване на силициеви квантови точки с квантов добив от приблизително 80% и добре дефинирана кристалност; изработване на издръжливи тънки трицветни филми в червено, зелено и синьо; постигане на светодиодни устройства с външна квантова ефективност над 10%; и поставяне на четири рекорда за производителност.
Кен-ичи Сайтоу и др. от университета в Хирошима, Япония, обобщиха методите за синтез, структурните характеристики и фотофизичните свойства на висококристални силициеви квантови точки с квантов добив до 80% в специален доклад. След като очерта предимствата на силициевите квантови точки, фокусът се измества към синтетичния път на колоидни силициеви квантови точки, по-специално метода с водороден силсесквиоксанов полимер. Този метод елиминира необходимостта от стъпка на горещо инжектиране и може да се проведе при меки условия на стайна температура, като се избягват изискванията за бързо инжектиране на прекурсори и строги оперативни процедури. Това значително опростява експерименталния процес и улеснява мащабното производство. Материалите, получени от водороден силсесквиоксан, приготвени въз основа на този синтетичен път, допълнително демонстрират рекордните постижения в светодиодите, излъчващи силициеви квантови точки, по четири ключови показателя за ефективност.