De Nobelprijs voor Scheikunde van 2023 werd toegekend voor de ontdekking en ontwikkeling van kwantumstippen. Het Nobelcomité verklaarde: "Kwantumstippen brengen de mensheid de grootste voordelen, en onze verkenning van hun potentieel is nog maar net begonnen." Deze prijs vertegenwoordigt niet alleen de hoogste erkenning voor onderzoek naar kwantumstippen, maar benadrukt ook hun enorme potentieel op gebieden zoals beeldschermverlichting, energiekatalyse, biomedicine en kwantumtechnologie. Dit speciale rapport richt zich op siliciumkwantumstippen, met name in oplosmiddelen gedispergeerde systemen, en introduceert systematisch de onderzoeksvooruitgang op het gebied van synthesemethoden, structurele eigenschappen en optische eigenschappen, evenals de toepassing ervan in in oplossing verwerkte lichtemitterende diodes (LED's).
Kwantumstippen zijn halfgeleidernanokristallen met afmetingen van slechts enkele nanometers. Colloïdale kwantumstippen bezitten verschillende unieke voordelen: ze kunnen een volledig kleurenspectrum produceren met instelbare grootte via processen zonder vacuüm; hun fotoluminescentiekwantumrendement kan bijna 100% bedragen; ze hebben een smalle emissiebandbreedte van 20-40 nm, met een kleurenspectrum dat drie tot vier keer zo groot is als dat van organische lichtemitterende diodes; en ze kunnen bij kamertemperatuur worden bereid met behulp van lagedemperatuur-oplossingsmethoden. Dankzij deze eigenschappen zijn kern-mantelstructuren met een smalle bandgap gerealiseerd en zijn commerciële producten zoals televisies met kwantumstippen succesvol ontwikkeld. In de toekomst zullen kwantumstippen naar verwachting een centrale rol spelen in de ontwikkeling van miniatuur-LED's, micro-LED's en kwantumstip-LED-technologieën, en de ontwikkeling van de volgende generatie opto-elektronica voor mensgerichte toepassingen, zoals rekbare draagbare apparaten, stimuleren. Gedreven door deze technologische golf zal de wereldwijde markt voor kwantumstippen naar verwachting blijven groeien met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 9,47%.
De wijdverspreide toepassing van kwantumdottechnologie staat echter nog steeds voor drie grote uitdagingen: Ten eerste is de beschikbaarheid van grondstoffen moeilijk en kan dit veiligheidsrisico's met zich meebrengen. Commercieel verkrijgbare kwantumdots zijn momenteel voornamelijk gebaseerd op zware metalen, zoals het zeldzame metaal indium en de giftige metalen cadmium en lood. Daarentegen zijn colloïdale siliciumkwantumdots en hun nanomaterialen inherent vrij van zware metalen en halogenen, waardoor ze een ideaal alternatief vormen voor duurzame displays van de volgende generatie, solid-state verlichting, biomedische beeldvorming en zelfs geavanceerde kwantumtoepassingen. Ten tweede moet het efficiëntieknelpunt van kwantumdots dringend worden overwonnen. Hoewel op cadmium gebaseerde en perovskietkwantumdots een kwantumrendement van bijna 100% hebben bereikt, blijven systemen zonder zware metalen lange tijd achter vanwege oppervlaktedefecten en onvolledige passivering. Het is bemoedigend dat recent onderzoek het kwantumrendement van siliciumkwantumdots heeft verhoogd tot meer dan 70%. Ten derde moeten de bestaande synthesemethoden dringend worden vereenvoudigd. De veelgebruikte hot-injection-methode vereist het snel injecteren van de precursor in een oplosmiddel met hoge temperatuur om nucleatie op gang te brengen. Dit stelt strenge eisen aan temperatuurregeling, een inerte atmosfeer en gespecialiseerde apparatuur, wat resulteert in hoge kosten voor grootschalige productie. Belangrijker nog, er bestaat momenteel geen geschikte precursor of oplosmiddel waarmee siliciumkwantumstippen met zowel een hoge kristalliniteit als uitstekende optische eigenschappen kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van de hot-injection-methode.
In de afgelopen twintig jaar heeft het onderzoeksteam systematisch verschillende mijlpalen bereikt in het onderzoek naar siliciumkwantumstippen: het realiseren van driekleurige emissie en continue witte lichtemissie; het ontwikkelen van de eerste hemelsblauwe siliciumkwantumstipdiode; het ontwikkelen van een goedkope syntheseroute die de productiekosten honderden tot duizenden keren verlaagt; het produceren van duurzame siliciumkwantumstipdiodes met behulp van rijstschillen; het verkrijgen van siliciumkwantumstippen met een kwantumrendement van ongeveer 80% en een goed gedefinieerde kristalliniteit; het fabriceren van duurzame rode, groene en blauwe driekleurige dunne films; het realiseren van lichtemitterende diodes met een extern kwantumrendement van meer dan 10%; en het vestigen van vier prestatierecords.
Ken-ichi Saitow et al. van de Universiteit van Hiroshima, Japan, hebben in een speciaal rapport de synthesemethoden, structurele kenmerken en fotofysische eigenschappen samengevat van zeer kristallijne siliciumkwantumstippen met een kwantumrendement van maar liefst 80%. Na de voordelen van siliciumkwantumstippen te hebben beschreven, verschuift de focus naar de syntheseroute van colloïdale siliciumkwantumstippen, met name de waterstofsilsesquioxaanpolymeermethode. Deze methode elimineert de noodzaak van een hete injectiestap en kan worden uitgevoerd onder milde omstandigheden bij kamertemperatuur, waardoor de vereisten voor snelle precursorinjectie en strenge werkprocedures worden vermeden. Dit vereenvoudigt het experimentele proces aanzienlijk en maakt grootschalige productie mogelijk. Op basis van deze syntheseroute bereide materialen afgeleid van waterstofsilsesquioxaan tonen bovendien de recordbrekende prestaties aan op het gebied van siliciumkwantumstip-lichtemitterende diodes aan de hand van vier belangrijke prestatie-indicatoren.
