Нобелевская премия по химии 2023 года была присуждена за открытие и разработку квантовых точек. Нобелевский комитет заявил: «Квантовые точки приносят человечеству наибольшую пользу, и наше исследование их потенциала только начинается». Эта награда не только является высшим признанием исследований квантовых точек, но и подчеркивает их огромный потенциал в таких областях, как дисплейное освещение, энергетический катализ, биомедицина и квантовые технологии. Этот специальный доклад посвящен кремниевым квантовым точкам, в частности, системам с диспергированием в растворителе, и систематически представляет прогресс исследований в методах синтеза, структурных и оптических свойствах, а также их применении в светодиодах (ВЕЛ), изготавливаемых из растворов.
Квантовые точки — это полупроводниковые нанокристаллы размером всего в несколько нанометров. Коллоидные квантовые точки обладают рядом уникальных преимуществ: возможность регулирования размера и получения полноцветного излучения без использования вакуума; квантовый выход фотолюминесценции может приближаться к 100%; узкая полоса пропускания излучения 20–40 нм с цветовой гаммой в три-четыре раза большей, чем у органических светодиодов; и возможность получения квантовых точек при комнатной температуре с использованием низкотемпературных растворных методов. Благодаря этим характеристикам были созданы структуры типа «ядро-оболочка» с узким диапазоном запрещенной зоны, и успешно разработаны коммерческие продукты, такие как телевизоры на квантовых точках. В перспективе ожидается, что квантовые точки будут играть центральную роль в разработке миниатюрных светодиодов, светодиодов микронного размера и технологий светодиодов на основе квантовых точек, а также будут способствовать развитию технологий следующего поколения для человекоориентированной оптоэлектроники, таких как эластичные носимые устройства. Благодаря этой технологической волне, прогнозируется, что мировой рынок квантовых точек продолжит расти со среднегодовым темпом роста в 9,47%.
Однако широкое применение технологии квантовых точек по-прежнему сталкивается с тремя основными проблемами: Во-первых, доступность сырья затруднена и может представлять опасность для безопасности. В настоящее время коммерчески доступные квантовые точки в основном основаны на материалах из тяжелых металлов, таких как редкий металл индий и токсичные металлы кадмий и свинец. В отличие от них, коллоидные кремниевые квантовые точки и их наноматериалы по своей природе не содержат тяжелых металлов и галогенов, что делает их идеальной альтернативой для экологически чистых 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, не содержащие тяжелых металлов, долгое время отставали из-за дефектов поверхности и неполной пассивации. Обнадеживает то, что недавние исследования увеличили квантовый выход кремниевых квантовых точек до более чем 70%. В-третьих, необходимо срочно упростить существующие методы синтеза. Широко используемый метод горячей инжекции требует быстрого введения прекурсора в высокотемпературный растворитель для инициирования нуклеации, что предъявляет жесткие требования к контролю температуры, инертной атмосфере и специализированному оборудованию, приводя к высоким затратам на крупномасштабное производство. Что еще более важно, в настоящее время не существует подходящего прекурсора или растворителя, позволяющих синтезировать кремниевые квантовые точки с высокой степенью кристалличности и превосходными оптическими свойствами с использованием метода горячей инжекции.
За последние два десятилетия исследовательская группа систематически продвигалась к достижению ряда важных результатов в исследованиях кремниевых квантовых точек: получение трехцветного излучения и непрерывного излучения белого света; разработка первого диода на основе кремниевых квантовых точек, излучающего небесно-голубой свет; разработка недорогого метода синтеза, снижающего производственные затраты в сотни и тысячи раз; получение экологически чистых диодов на основе кремниевых квантовых точек с использованием рисовой шелухи; получение кремниевых квантовых точек с квантовым выходом приблизительно 80% и четко определенной кристалличностью; изготовление прочных тонких пленок красного, зеленого и синего трехцветного свечения; создание светодиодных устройств с внешней квантовой эффективностью, превышающей 10%; и установление четырех рекордов производительности.
Кен-ичи Сайтоу и др. из Университета Хиросимы, Япония, в специальном отчете 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 переключается на метод синтеза коллоидных кремниевых квантовых точек, в частности, на метод с использованием полимера на основе гидрогенсилсесквиоксана. Этот метод исключает необходимость стадии горячей инъекции и может быть выполнен в умеренных условиях комнатной температуры, избегая требований к быстрой инъекции прекурсора и жестких операционных процедур. Это значительно упрощает экспериментальный процесс и облегчает крупномасштабное производство. Материалы на основе гидрогенсилсесквиоксана, полученные этим методом синтеза, дополнительно демонстрируют рекордные достижения в области светодиодов на основе кремниевых квантовых точек по четырем ключевым показателям эффективности.
