Il Premio Nobel per la Chimica 2023 è stato assegnato per la scoperta e lo sviluppo dei punti quantici. Il Comitato Nobel ha dichiarato: "I punti quantici stanno apportando i maggiori benefici all'umanità e la nostra esplorazione del loro potenziale è appena iniziata". Questo premio non solo rappresenta il massimo riconoscimento della ricerca sui punti quantici, ma ne evidenzia anche l'enorme potenziale in campi come l'illuminazione dei display, la catalisi energetica, la biomedicina e la tecnologia quantistica. Questo rapporto speciale si concentra sui punti quantici al silicio, in particolare sui sistemi dispersi in solvente, introducendo sistematicamente i progressi della ricerca nei metodi di sintesi, nelle proprietà strutturali e ottiche, nonché nella loro applicazione nei diodi a emissione di luce (LED) processati in soluzione.
I punti quantici sono nanocristalli semiconduttori con dimensioni di pochi nanometri. I punti quantici colloidali presentano diversi vantaggi unici: l'emissione a colori full-color regolabile in base alle dimensioni può essere ottenuta attraverso processi non sotto vuoto; la loro resa quantica di fotoluminescenza può avvicinarsi al 100%; hanno una banda di emissione ristretta di 20-40 nm, con una gamma cromatica da tre a quattro volte superiore a quella dei diodi organici a emissione di luce; e possono essere preparati a temperatura ambiente utilizzando metodi di soluzione a bassa temperatura. Grazie a queste caratteristiche, sono state realizzate strutture core-shell con controllo ingegneristico a banda stretta e sono stati sviluppati con successo prodotti commerciali come i televisori a punti quantici. In futuro, si prevede che i punti quantici svolgeranno un ruolo centrale nello sviluppo di LED miniaturizzati, LED di dimensioni micrometriche e tecnologie LED a punti quantici, e guideranno lo sviluppo di tecnologie di prossima generazione per l'optoelettronica incentrata sull'uomo, come i dispositivi indossabili estensibili. Grazie a questa ondata tecnologica, si prevede che il mercato globale dei punti quantici continuerà a espandersi a un CAGR del 9,47%.
Tuttavia, l'applicazione diffusa della tecnologia dei punti quantici deve ancora affrontare tre sfide principali: in primo luogo, la difficile reperibilità delle materie prime può comportare rischi per la sicurezza. Attualmente, i punti quantici disponibili in commercio si basano principalmente su materiali metallici pesanti, come il raro metallo indio e i metalli tossici cadmio e piombo. Al contrario, i punti quantici in silicio colloidale e i loro nanomateriali sono intrinsecamente privi di metalli pesanti e alogeni, rappresentando un'alternativa ideale per display sostenibili di nuova generazione, illuminazione a stato solido, imaging biomedico e persino campi quantistici all'avanguardia. In secondo luogo, il collo di bottiglia in termini di efficienza dei punti quantici deve essere superato con urgenza. Sebbene i punti quantici a base di cadmio e perovskite abbiano raggiunto una resa quantica prossima al 100%, i sistemi privi di metalli pesanti sono rimasti a lungo indietro a causa di difetti superficiali e passivazione incompleta. È incoraggiante che recenti ricerche abbiano aumentato la resa quantica dei punti quantici in silicio a oltre il 70%. In terzo luogo, i metodi di sintesi esistenti necessitano urgentemente di una semplificazione. Il metodo di iniezione a caldo, ampiamente utilizzato, richiede l'iniezione rapida del precursore in un solvente ad alta temperatura per innescare la nucleazione, imponendo requisiti rigorosi in termini di controllo della temperatura, atmosfera inerte e attrezzature specializzate, con conseguenti costi elevati per la produzione su larga scala. Ancora più importante, attualmente non esiste un precursore o un solvente adatto in grado di sintetizzare punti quantici di silicio con elevata cristallinità ed eccellenti proprietà ottiche utilizzando il metodo di iniezione a caldo.
Negli ultimi due decenni, il team di ricerca ha sistematicamente raggiunto diversi traguardi nella ricerca sui punti quantici al silicio: ottenendo l'emissione tricolore e l'emissione continua di luce bianca; sviluppando il primo diodo a punto quantico al silicio con emissione di colore azzurro cielo; sviluppando un percorso di sintesi a basso costo che riduce i costi di produzione da centinaia a migliaia di volte; preparando diodi a punto quantico al silicio sostenibili utilizzando lolla di riso; ottenendo punti quantici al silicio con una resa quantica di circa l'80% e una cristallinità ben definita; fabbricando film sottili tricolori rossi, verdi e blu durevoli; ottenendo dispositivi a diodo a emissione luminosa con un'efficienza quantica esterna superiore al 10%; e stabilendo quattro record di prestazioni.
Ken-ichi Saitow et al. dell'Università di Hiroshima, in Giappone, hanno riassunto i metodi di sintesi, le caratteristiche strutturali e le proprietà fotofisiche dei punti quantici di silicio altamente cristallino con una resa quantica fino all'80% in un rapporto speciale. Dopo aver delineato i vantaggi dei punti quantici di silicio, l'attenzione si sposta sul metodo di sintesi dei punti quantici di silicio colloidale, in particolare sul metodo polimerico dell'idrogeno silsesquiossano. Questo metodo elimina la necessità di una fase di iniezione a caldo e può essere eseguito in condizioni di temperatura ambiente mite, evitando i requisiti di una rapida iniezione del precursore e di procedure operative rigorose. Ciò semplifica notevolmente il processo sperimentale e facilita la produzione su larga scala. I materiali derivati dall'idrogeno silsesquiossano preparati sulla base di questo metodo di sintesi dimostrano ulteriormente i risultati record ottenuti nei diodi a emissione di luce a punti quantici di silicio in quattro indicatori chiave di prestazione.