Nobelprisen i kemi i 2023 blev tildelt for opdagelsen og udviklingen af kvanteprikker. Nobelkomitéen udtalte: "Kvanteprikker bringer de største fordele til menneskeheden, og vores udforskning af deres potentiale er kun lige begyndt." Denne pris repræsenterer ikke kun den højeste anerkendelse af kvanteprikforskning, men fremhæver også dens enorme potentiale inden for områder som displaybelysning, energikatalyse, biomedicin og kvanteteknologi. Denne særlige rapport fokuserer på silicium-kvanteprikker, især opløsningsmiddeldispergerede systemer, og introducerer systematisk forskningsfremskridt inden for syntesemetoder, strukturelle egenskaber og optiske egenskaber samt deres anvendelse i opløsningsbehandlede lysdioder (LED'er).
Kvanteprikker er halvleder-nanokrystaller med dimensioner på kun få nanometer. Kolloidale kvanteprikker har flere unikke fordele: størrelsesjusterbar fuldfarveemission kan opnås gennem ikke-vakuumprocesser; deres fotoluminescens-kvanteudbytte kan nærme sig 100%; de har en smal emissionsbåndbredde på 20-40 nm, med en farveskala tre til fire gange så stor som organiske lysdioders; og de kan fremstilles ved stuetemperatur ved hjælp af lavtemperaturopløsningsmetoder. Takket være disse egenskaber er kerne-skal-strukturer med smalbåndgabskontrol blevet realiseret, og kommercielle produkter såsom kvanteprik-fjernsyn er blevet udviklet med succes. Fremadrettet forventes kvanteprikker at spille en central rolle i udviklingen af miniature-LED'er, mikronstore LED'er og kvanteprik-LED-teknologier og drive udviklingen af næste generations teknologier til menneskecentreret optoelektronik, såsom strækbare, bærbare enheder. Drevet af denne teknologiske bølge forventes det globale kvanteprikmarked at fortsætte med at vokse med en CAGR på 9,47%.
Den udbredte anvendelse af kvantepunktteknologi står dog stadig over for tre store udfordringer: For det første er tilgængeligheden af råmaterialer vanskelig og kan udgøre sikkerhedsrisici. I øjeblikket er kommercielt tilgængelige kvantepunkter hovedsageligt baseret på tungmetalmaterialer, såsom det sjældne metal indium og de giftige metaller cadmium og bly. I modsætning hertil er kolloidale siliciumkvantepunkter og deres nanomaterialer i sagens natur fri for tungmetaller og halogener, hvilket giver et ideelt alternativ til bæredygtige næste generations displays, faststofbelysning, biomedicinsk billeddannelse og endda banebrydende kvantefelter. For det andet skal effektivitetsflaskehalsen for kvantepunkter overvindes. Selvom cadmiumbaserede og perovskitkvantepunkter har opnået et kvanteudbytte på næsten 100 %, har tungmetalfri systemer længe haltet bagefter på grund af overfladefejl og ufuldstændig passivering. Opmuntrende nok har nyere forskning øget kvanteudbyttet af siliciumkvantepunkter til over 70 %. For det tredje skal eksisterende syntesemetoder forenkles. Den udbredte varmindsprøjtningsmetode kræver hurtig indsprøjtning af forløberen i et højtemperaturopløsningsmiddel for at udløse kimdannelse, hvilket stiller strenge krav til temperaturkontrol, inert atmosfære og specialiseret udstyr, hvilket resulterer i høje omkostninger til storskalaproduktion. Endnu vigtigere er det, at der i øjeblikket ikke findes nogen egnet forløber eller opløsningsmiddel, der kan syntetisere siliciumkvantepunkter med både høj krystallinitet og fremragende optiske egenskaber ved hjælp af varmindsprøjtningsmetoden.
I løbet af de sidste to årtier har forskerholdet systematisk fremmet adskillige milepæle inden for forskning i silicium-kvantepunkter: opnåelse af trefarvet emission og kontinuerlig emission af hvidt lys; udvikling af den første himmelblå-emitterende silicium-kvantepunktsdiode; udvikling af en billig syntesevej, der reducerer produktionsomkostningerne hundredvis til tusindvis af gange; fremstilling af bæredygtige silicium-kvantepunktsdioder ved hjælp af risskaller; opnåelse af silicium-kvantepunkter med et kvanteudbytte på cirka 80 % og veldefineret krystallinitet; fremstilling af holdbare røde, grønne og blå trefarvede tyndfilm; opnåelse af lysdiodeenheder med en ekstern kvanteeffektivitet på over 10 %; og sat fire præstationsrekorder.
Ken-ichi Saitow et al. fra Hiroshima Universitet i Japan har i en særlig rapport opsummeret syntesemetoderne, de strukturelle karakteristika og de fotofysiske egenskaber ved højkrystallinske siliciumkvantepunkter med et kvanteudbytte på op til 80%. Efter at have skitseret fordelene ved siliciumkvantepunkter skifter fokus til den syntetiske rute for kolloidale siliciumkvantepunkter, især hydrogensilsesquioxanpolymermetoden. Denne metode eliminerer behovet for et varmt injektionstrin og kan udføres under milde stuetemperaturforhold, hvilket undgår kravene om hurtig precursorinjektion og strenge driftsprocedurer. Dette forenkler den eksperimentelle proces betydeligt og letter storskalaproduktion. Hydrogensilsesquioxan-afledte materialer fremstillet baseret på denne syntetiske rute demonstrerer yderligere de rekordbrydende resultater inden for siliciumkvantepunkt-lysdioder på tværs af fire nøgleindikatorer for ydeevne.