Το βραβείο Νόμπελ Χημείας 2023 απονεμήθηκε για την ανακάλυψη και την ανάπτυξη κβαντικών κουκκίδων. Η Επιτροπή Νόμπελ δήλωσε: «Οι κβαντικές κουκκίδες φέρνουν τα μεγαλύτερα οφέλη στην ανθρωπότητα και η εξερεύνηση των δυνατοτήτων τους μόλις ξεκίνησε». Αυτό το βραβείο όχι μόνο αντιπροσωπεύει την υψηλότερη αναγνώριση της έρευνας για τις κβαντικές κουκκίδες, αλλά υπογραμμίζει επίσης τις τεράστιες δυνατότητές της σε τομείς όπως ο φωτισμός οθονών, η ενεργειακή κατάλυση, η βιοϊατρική και η κβαντική τεχνολογία. Αυτή η ειδική έκθεση εστιάζει στις κβαντικές κουκκίδες πυριτίου, ιδιαίτερα στα συστήματα διασποράς διαλύτη, εισάγοντας συστηματικά την ερευνητική πρόοδο στις μεθόδους σύνθεσης, τις δομικές ιδιότητες και τις οπτικές ιδιότητες, καθώς και την εφαρμογή της σε διόδους εκπομπής φωτός (LED) επεξεργασμένες σε διάλυμα.
Οι κβαντικές κουκκίδες είναι ημιαγωγικοί νανοκρύσταλλοι με διαστάσεις μόνο μερικών νανομέτρων. Οι κολλοειδείς κβαντικές κουκκίδες διαθέτουν πολλά μοναδικά πλεονεκτήματα: η ρυθμιζόμενη ως προς το μέγεθος εκπομπή πλήρους χρώματος μπορεί να επιτευχθεί μέσω διεργασιών χωρίς κενό. η κβαντική απόδοση φωτοφωταύγειας μπορεί να προσεγγίσει το 100%. έχουν στενό εύρος ζώνης εκπομπής 20-40 ναυτικά μίλια, με χρωματική γκάμα τρεις έως τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή των οργανικών διόδων εκπομπής φωτός. και μπορούν να παρασκευαστούν σε θερμοκρασία δωματίου χρησιμοποιώντας μεθόδους διαλύματος χαμηλής θερμοκρασίας. Χάρη σε αυτά τα χαρακτηριστικά, έχουν υλοποιηθεί δομές πυρήνα-κελύφους με μηχανικό έλεγχο στενού ενεργειακού χάσματος και έχουν αναπτυχθεί με επιτυχία εμπορικά προϊόντα όπως οι τηλεοράσεις κβαντικών κουκκίδων. Κοιτάζοντας μπροστά, οι κβαντικές κουκκίδες αναμένεται να διαδραματίσουν κεντρικό ρόλο στην ανάπτυξη μικροσκοπικών LED, LED μεγέθους μικρών και τεχνολογιών LED κβαντικών κουκκίδων και να οδηγήσουν στην ανάπτυξη τεχνολογιών επόμενης γενιάς για ανθρωποκεντρική οπτοηλεκτρονική, όπως οι ελαστικές φορετές συσκευές. Οδηγούμενη από αυτό το τεχνολογικό κύμα, η παγκόσμια αγορά κβαντικών κουκκίδων προβλέπεται να συνεχίσει να επεκτείνεται με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης (Σύνθετος ετήσιος ρυθμός ανάπτυξης (CAGR)) 9,47%.
Ωστόσο, η ευρεία εφαρμογή της τεχνολογίας κβαντικών κουκκίδων εξακολουθεί να αντιμετωπίζει τρεις σημαντικές προκλήσεις: Πρώτον, η διαθεσιμότητα πρώτων υλών είναι δύσκολη και μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την ασφάλεια. Επί του παρόντος, οι εμπορικά διαθέσιμες κβαντικές κουκκίδες βασίζονται κυρίως σε βαρέα μέταλλα, όπως το σπάνιο μέταλλο ίνδιο και τα τοξικά μέταλλα κάδμιο και μόλυβδο. Αντίθετα, οι κολλοειδείς κβαντικές κουκκίδες πυριτίου και τα νανοϋλικά τους είναι εγγενώς απαλλαγμένα από βαρέα μέταλλα και αλογόνα, παρέχοντας μια ιδανική εναλλακτική λύση για βιώσιμες οθόνες επόμενης γενιάς, φωτισμό στερεάς κατάστασης, βιοϊατρική απεικόνιση, ακόμη και κβαντικά πεδία αιχμής. Δεύτερον, το πρόβλημα της αποδοτικότητας των κβαντικών κουκκίδων πρέπει επειγόντως να ξεπεραστεί. Παρόλο που οι κβαντικές κουκκίδες με βάση το κάδμιο και οι κβαντικές κουκκίδες περοβσκίτη έχουν επιτύχει σχεδόν 100% κβαντική απόδοση, τα συστήματα χωρίς βαρέα μέταλλα έχουν μείνει πίσω λόγω επιφανειακών ελαττωμάτων και ατελούς παθητικοποίησης. Ενθαρρυντικό είναι ότι πρόσφατη έρευνα έχει αυξήσει την κβαντική απόδοση των κβαντικών κουκκίδων πυριτίου σε πάνω από 70%. Τρίτον, οι υπάρχουσες μέθοδοι σύνθεσης χρειάζονται επειγόντως απλοποίηση. Η ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος θερμής έγχυσης απαιτεί την ταχεία έγχυση του προδρόμου σε διαλύτη υψηλής θερμοκρασίας για την ενεργοποίηση του σχηματισμού πυρήνων, θέτοντας αυστηρές απαιτήσεις σε έλεγχο θερμοκρασίας, αδρανή ατμόσφαιρα και εξειδικευμένο εξοπλισμό, με αποτέλεσμα υψηλό κόστος για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Το πιο σημαντικό είναι ότι επί του παρόντος δεν υπάρχει κατάλληλος πρόδρομος ή διαλύτης που να μπορεί να συνθέσει κβαντικές κουκκίδες πυριτίου με υψηλή κρυσταλλικότητα και εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες χρησιμοποιώντας τη μέθοδο θερμής έγχυσης.
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η ερευνητική ομάδα έχει συστηματικά προωθήσει διάφορα ορόσημα στην έρευνα για τις κβαντικές κουκκίδες πυριτίου: επίτευξη τριχρωμίας εκπομπής και συνεχούς εκπομπής λευκού φωτός· ανάπτυξη της πρώτης διόδου κβαντικής κουκκίδας πυριτίου που εκπέμπει μπλε ουρανό· ανάπτυξη μιας οδού σύνθεσης χαμηλού κόστους που μειώνει το κόστος παραγωγής κατά εκατοντάδες έως χιλιάδες φορές· παρασκευή βιώσιμων διόδων κβαντικής κουκκίδας πυριτίου χρησιμοποιώντας φλοιούς ρυζιού· λήψη κβαντικών κουκκίδων πυριτίου με κβαντική απόδοση περίπου 80% και σαφώς καθορισμένη κρυσταλλικότητα· κατασκευή ανθεκτικών λεπτών μεμβρανών τριών χρωμάτων κόκκινου, πράσινου και μπλε· επίτευξη συσκευών διόδου εκπομπής φωτός με εξωτερική κβαντική απόδοση που υπερβαίνει το 10%· και επίτευξη τεσσάρων ρεκόρ απόδοσης.
Οι Γνώση-ίτσι Σάιτοου κ.λπ. αλ. από το Πανεπιστήμιο της Χιροσίμα στην Ιαπωνία, συνόψισαν τις μεθόδους σύνθεσης, τα δομικά χαρακτηριστικά και τις φωτοφυσικές ιδιότητες των κβαντικών κουκκίδων υψηλής κρυσταλλικότητας πυριτίου με κβαντική απόδοση έως και 80% σε μια ειδική έκθεση. Αφού σκιαγραφήθηκαν τα πλεονεκτήματα των κβαντικών κουκκίδων πυριτίου, η εστίαση μετατοπίζεται στη συνθετική οδό των κολλοειδών κβαντικών κουκκίδων πυριτίου, ιδιαίτερα στη μέθοδο πολυμερούς υδρογόνου σιλσεσκιοξάνης. Αυτή η μέθοδος εξαλείφει την ανάγκη για ένα βήμα θερμής έγχυσης και μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό ήπιες συνθήκες θερμοκρασίας δωματίου, αποφεύγοντας τις απαιτήσεις ταχείας έγχυσης προδρόμων και αυστηρών λειτουργικών διαδικασιών. Αυτό απλοποιεί σημαντικά την πειραματική διαδικασία και διευκολύνει την παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Τα υλικά που προέρχονται από υδρογόνο σιλσεσκιοξάνης και παρασκευάζονται με βάση αυτή τη συνθετική οδό καταδεικνύουν περαιτέρω τα πρωτοποριακά επιτεύγματα στις διόδους εκπομπής φωτός κβαντικών κουκκίδων πυριτίου σε τέσσερις βασικούς δείκτες απόδοσης.