De Nobelprijs voor Scheikunde van 2023 werd toegekend voor de ontdekking en ontwikkeling van kwantumdots. Het Nobelcomité verklaarde: "Kwantumdots 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 kwantumdots, maar benadrukt ook het enorme potentieel ervan op gebieden zoals displayverlichting, energiekatalyse, biomedische technologie en kwantumtechnologie. Dit speciale rapport richt zich op siliciumkwantumdots, met name oplosmiddelgedispergeerde systemen, en introduceert systematisch de onderzoeksvoortgang in synthesemethoden, structurele eigenschappen en optische eigenschappen, evenals de toepassing ervan in oplossingsgeproduceerde lichtgevende diodes (leds).
Quantum dots zijn halfgeleider nanokristallen met afmetingen van slechts enkele nanometers. Colloïdale quantum dots hebben verschillende unieke voordelen: een in grootte aanpasbare volledige kleurenemissie kan worden bereikt via niet-vacuümprocessen; hun fotoluminescentie-kwantumopbrengst kan de 100% benaderen; ze hebben een smalle emissiebandbreedte van 20-40 nm, met een kleurengamma dat drie tot vier keer zo groot is als dat van organische lichtgevende diodes; en ze kunnen bij kamertemperatuur worden geproduceerd met behulp van lagetemperatuuroplossingsmethoden. Dankzij deze eigenschappen zijn kern-schilstructuren met een smalle bandgap-engineering gerealiseerd en zijn commerciële producten zoals quantum dot-televisies met succes ontwikkeld. Verwacht wordt dat quantum dots in de toekomst een centrale rol zullen spelen in de ontwikkeling van miniatuur-leds, micron-leds en quantum dot-ledtechnologieën, en de ontwikkeling van volgende generatie technologieën voor mensgerichte opto-elektronica, zoals rekbare draagbare apparaten, zullen stimuleren. Aangedreven door deze technologische golf wordt verwacht dat de wereldwijde markt voor quantumdots zal blijven groeien met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 9,47%.
De wijdverbreide toepassing van quantumdottechnologie kent echter nog steeds drie grote uitdagingen: Ten eerste is de beschikbaarheid van grondstoffen moeilijk en kan deze veiligheidsrisico's met zich meebrengen. Momenteel zijn commercieel verkrijgbare quantumdots meestal gebaseerd op zware metalen, zoals het zeldzame metaal indium en de giftige metalen cadmium en lood. Daarentegen zijn colloïdale silicium quantumdots en hun nanomaterialen inherent vrij van zware metalen en halogenen, wat een ideaal alternatief biedt voor duurzame displays van de volgende generatie, solid-state verlichting, biomedische beeldvorming en zelfs geavanceerde quantumvelden. Ten tweede moet het efficiëntieknelpunt van quantumdots dringend worden overwonnen. Hoewel op cadmium gebaseerde en perovskiet quantumdots een quantumopbrengst van bijna 100% hebben bereikt, blijven systemen zonder zware metalen lange tijd achter vanwege oppervlaktedefecten en onvolledige passivering. Bemoedigend is dat recent onderzoek de quantumopbrengst van silicium quantumdots heeft verhoogd tot meer dan 70%. Ten derde moeten 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 te activeren. Dit stelt hoge eisen aan temperatuurregeling, een inerte atmosfeer en gespecialiseerde apparatuur, wat resulteert in hoge kosten voor grootschalige productie. Bovendien is er momenteel geen geschikte precursor of oplosmiddel beschikbaar waarmee siliciumkwantumdots met zowel een hoge kristalliniteit als uitstekende optische eigenschappen kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van de hot-injection-methode.
In de afgelopen twee decennia heeft het onderzoeksteam systematisch diverse mijlpalen bereikt in het onderzoek naar silicium-kwantumdots: het realiseren van driekleurige emissie en continue witte lichtemissie; het ontwikkelen van de eerste hemelsblauwe silicium-kwantumdotdiode; het ontwikkelen van een goedkope syntheseroute die de productiekosten honderden tot duizenden keren verlaagt; het bereiden van duurzame silicium-kwantumdotdioden met behulp van rijstkaf; het verkrijgen van silicium-kwantumdots met een kwantumopbrengst van ongeveer 80% en goed gedefinieerde kristalliniteit; het vervaardigen van duurzame rode, groene en blauwe driekleurige dunne films; het realiseren van lichtgevende diode-apparaten met een externe kwantumrendement van meer dan 10%; en het vestigen van vier prestatierecords.
Ken-ichi Saitow et al. van de Universiteit van Hiroshima, Japan, vatten in een speciaal rapport de synthesemethoden, structurele kenmerken en fotofysische eigenschappen van hoogkristallijne siliciumkwantumdots met een kwantumopbrengst tot wel 80% samen. Na de voordelen van siliciumkwantumdots te hebben geschetst, verschuift de focus naar de synthetische route van colloïdale siliciumkwantumdots, met name de waterstofsilsesquioxaanpolymeermethode. Deze methode elimineert de noodzaak van een hete injectiestap en kan worden uitgevoerd bij milde kamertemperatuur, waardoor de vereisten van snelle precursorinjectie en strenge operationele procedures worden vermeden. Dit vereenvoudigt het experimentele proces aanzienlijk en maakt grootschalige productie mogelijk. Materialen afgeleid van waterstofsilsesquioxaan, bereid op basis van deze synthetische route, demonstreren verder de recordbrekende prestaties van siliciumkwantumdot-lichtgevende diodes op vier belangrijke prestatie-indicatoren.