Нобелевская премия по химии 2023 года была присуждена за открытие и разработку квантовых точек. Нобелевский комитет заявил: «Квантовые точки приносят человечеству величайшую пользу, и наше исследование их потенциала только начинается». Эта награда не только является высшим признанием исследований квантовых точек, но и подчёркивает их огромный потенциал в таких областях, как дисплейное освещение, энергетический катализ, биомедицина и квантовые технологии. Этот специальный доклад посвящён кремниевым квантовым точкам, в частности, системам, диспергированным в растворителях, и систематически представляет прогресс в исследованиях методов синтеза, структурных и оптических свойств, а также их применения в светодиодах, изготовленных методом растворной обработки.
Квантовые точки – это полупроводниковые нанокристаллы размером всего несколько нанометров. Коллоидные квантовые точки обладают рядом уникальных преимуществ: регулируемое по размеру полноцветное излучение может быть достигнуто с помощью невакуумных процессов; их квантовый выход фотолюминесценции может приближаться к 100%; они имеют узкую полосу излучения 20–40 нм с цветовым охватом в три-четыре раза больше, чем у органических светодиодов; и их можно изготавливать при комнатной температуре с помощью низкотемпературных растворных методов. Благодаря этим характеристикам были реализованы структуры «ядро-оболочка» с узкой запрещенной зоной и успешно разработаны такие коммерческие продукты, как телевизоры на квантовых точках. В перспективе ожидается, что квантовые точки будут играть центральную роль в разработке миниатюрных светодиодов, светодиодов микронного размера и светодиодных технологий на квантовых точках, а также стимулировать разработку технологий следующего поколения для оптоэлектроники, ориентированной на человека, таких как растягиваемые носимые устройства. Ожидается, что благодаря этой технологической волне мировой рынок квантовых точек продолжит расти со среднегодовым темпом роста 9,47%.
Однако широкое применение технологии квантовых точек по-прежнему сталкивается с тремя основными проблемами: во-первых, доступность сырья затруднена и может представлять угрозу безопасности. В настоящее время коммерчески доступные квантовые точки в основном основаны на материалах на основе тяжелых металлов, таких как редкий металл индий и токсичные металлы кадмий и свинец. В отличие от этого, коллоидные кремниевые квантовые точки и их наноматериалы изначально не содержат тяжелых металлов и галогенов, представляя собой идеальную альтернативу для устойчивых дисплеев следующего поколения, твердотельного освещения, биомедицинской визуализации и даже передовых квантовых полей. Во-вторых, необходимо срочно преодолеть узкое место в эффективности квантовых точек. Хотя квантовые точки на основе кадмия и перовскита достигли почти 100% квантового выхода, системы без тяжелых металлов долгое время отставали из-за дефектов поверхности и неполной пассивации. Обнадёживает тот факт, что недавние исследования увеличили квантовый выход кремниевых квантовых точек до более чем 70%. В-третьих, существующие методы синтеза срочно нуждаются в упрощении. Широко используемый метод горячей инжекции требует быстрого ввода прекурсора в высокотемпературный растворитель для запуска процесса зародышеобразования, что предъявляет строгие требования к контролю температуры, инертной атмосфере и специализированному оборудованию, что приводит к высоким затратам на крупномасштабное производство. Что ещё важнее, в настоящее время не существует подходящего прекурсора или растворителя, позволяющего синтезировать кремниевые квантовые точки с высокой степенью кристалличности и превосходными оптическими свойствами методом горячей инжекции.
За последние два десятилетия исследовательская группа систематически достигла нескольких важных этапов в исследовании кремниевых квантовых точек: достигла трехцветного излучения и непрерывного белого света; разработала первый кремниевый квантовый диод, излучающий небесно-голубой свет; разработала недорогой путь синтеза, который снижает производственные затраты в сотни и тысячи раз; изготовила устойчивые кремниевые квантовые диоды с использованием рисовой шелухи; получила кремниевые квантовые точки с квантовым выходом приблизительно 80% и четко определенной кристалличностью; изготовила прочные красные, зеленые и синие трехцветные тонкие пленки; создала светодиодные устройства с внешней квантовой эффективностью, превышающей 10%; и установила четыре рекорда производительности.
Кен-ичи Сайтоу и др. из Университета Хиросимы (Япония) в специальном докладе обобщили методы синтеза, структурные характеристики и фотофизические свойства высококристаллических кремниевых квантовых точек с квантовым выходом до 80%. После описания преимуществ кремниевых квантовых точек основное внимание уделяется синтетическому пути получения коллоидных кремниевых квантовых точек, в частности, методу полимеризации водородсилсесквиоксана. Этот метод исключает необходимость в этапе горячей инжекции и может осуществляться при умеренных условиях комнатной температуры, избегая требований быстрой инжекции прекурсора и строгих операционных процедур. Это значительно упрощает экспериментальный процесс и способствует крупномасштабному производству. Материалы, полученные на основе этого синтетического пути, дополнительно демонстрируют рекордные достижения в области светодиодов на основе кремниевых квантовых точек по четырем ключевым показателям эффективности.