Een nieuw artikel in Wetenschap magazine geeft een overzicht van bijna drie decennia onderzoek naar colloïdale kwantumstippen, beoordeelt de technologische vooruitgang voor deze nanometergrote specificaties van halfgeleidermateriaal, en weegt de resterende uitdagingen op weg naar wijdverbreide commercialisering van deze veelbelovende technologie met toepassingen in alles van tv's tot zeer efficiënte zonnecollectoren.

"Dertig jaar geleden, deze structuren waren slechts een onderwerp van wetenschappelijke nieuwsgierigheid die werd bestudeerd door een kleine groep enthousiastelingen. Door de jaren heen, kwantumstippen zijn materialen van industriële kwaliteit geworden die worden gebruikt in een reeks traditionele en opkomende technologieën, waarvan sommige al hun weg naar de commerciële markten hebben gevonden, " zei Victor I. Klimov, een co-auteur van het artikel en leider van het team dat kwantumdot-onderzoek uitvoert in het Los Alamos National Laboratory.

Veel vorderingen beschreven in de Wetenschap artikel afkomstig uit Los Alamos, inclusief de eerste demonstratie van colloïdale kwantumdotlasing, de ontdekking van dragervermenigvuldiging, baanbrekend onderzoek naar quantum dot light emitting diodes (LED's) en luminescente zonneconcentratoren, en recente studies van single-dot quantum emitters.

Met behulp van moderne colloïdale chemie, de afmetingen en interne structuur van kwantumstippen kunnen worden gemanipuleerd met bijna atomaire precisie, wat zorgt voor een zeer nauwkeurige controle van hun fysieke eigenschappen en daarmee gedrag in praktische apparaten.

Een aantal voortdurende inspanningen voor praktische toepassingen van colloïdale kwantumdots hebben gebruik gemaakt van de grootte-gecontroleerde afstembaarheid van hun emissiekleur en hoge-emissie kwantumopbrengsten in de buurt van de ideale 100 procent limiet. Deze eigenschappen zijn aantrekkelijk voor beeldschermen en verlichting, de technologieën waarbij quantum dots worden gebruikt als kleuromzettende fosforen. Door hun smalband, spectraal afstembare emissie, kwantumdots zorgen voor een verbeterde kleurzuiverheid en een completere dekking van de gehele kleurruimte in vergelijking met de bestaande fosformaterialen. Sommige van deze apparaten, zoals quantum dot-tv's, reeds technologische volwassenheid hebben bereikt en beschikbaar zijn op commerciële markten.

De volgende grens is het creëren van technologisch haalbare LED's, aangedreven door elektrisch aangedreven quantum dots. De Wetenschap review beschrijft verschillende benaderingen om deze apparaten te implementeren en bespreekt de bestaande uitdagingen. Quantum-LED's hebben al een indrukwekkende helderheid en bijna ideale efficiëntie bereikt in de buurt van de theoretisch gedefinieerde limieten. Veel van deze vooruitgang is te danken aan de voortdurende vooruitgang in het begrijpen van de prestatiebeperkende factoren, zoals niet-radiatieve Auger-recombinatie.

Het artikel bespreekt ook de status en uitdagingen van met oplossingen verwerkbare kwantumpuntlasers.

"Het beschikbaar stellen van deze lasers zou een reeks technologieën ten goede komen, inclusief geïntegreerde fotonische schakelingen, optische communicatie, lab-on-a-chip-platforms, draagbare apparaten, en medische diagnostiek, ' zei Klimov.

Los Alamos-onderzoekers hebben op dit gebied belangrijke vooruitgang geboekt, waaronder de opheldering van mechanismen voor lichtversterking in colloïdale nanostructuren en de eerste demonstratie van een lasereffect met behulp van deze materialen.

"De belangrijkste huidige uitdaging is het demonstreren van laseren met elektrisch pompen, "Zei Klimov. "Los Alamos is verantwoordelijk geweest voor verschillende belangrijke mijlpalen op weg naar dit doel, waaronder de realisatie van optische versterking met elektrische excitatie en de ontwikkeling van apparaten met twee functies die werken als een optisch gepompte laser en een standaard elektrisch aangedreven LED ."

Quantum dots zijn ook van groot potentieel nut bij zonne-oogst- en lichtdetectietechnologieën. Door hun afstembare bandgap, ze kunnen worden ontworpen om zich op een bepaald bereik van golflengten te richten, wat vooral aantrekkelijk is voor het realiseren van goedkope fotodetectoren voor het infrarode spectrale bereik. Op het gebied van zonne-energietechnologieën, colloïdale kwantumstippen zijn gebruikt als actieve elementen van zowel zonnecellen als lichtgevende zonnecollectoren.

In het geval van fotovoltaïsche energie (PV), de quantum dot-benadering kan worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie goedkope, dunne-film PV-apparaten die zijn gemaakt met schaalbare oplossingsgebaseerde technieken zoals roll-by-roll-verwerking. In aanvulling, ze kunnen conceptueel nieuwe fotoconversieschema's mogelijk maken die zijn afgeleid van fysieke processen die uniek zijn voor ultrakleine "quantum-beperkte" colloïdale deeltjes. Een dergelijk proces, drager vermenigvuldiging, genereert meerdere elektron-gat-paren door een enkel geabsorbeerd foton. Dit proces, voor het eerst gerapporteerd door Los Alamos-onderzoekers in 2004, is het onderwerp geweest van intensief onderzoek in de context van zijn toepassingen in zowel PV's als fotochemie van de zon.

"Een ander veelbelovend gebied zijn quantum dot luminescente zonneconcentratoren of LSC's, " zei Klimov. "Met behulp van de LSC-aanpak, men kan, in principe, zet standaard ramen of gevelbeplating om in stroomopwekkende apparaten. Samen met zonnepanelen op het dak, dit kan helpen om een ​​heel gebouw van schone energie te voorzien. Terwijl het LSC-concept al in de jaren 70 werd geïntroduceerd, het floreerde pas recentelijk door de introductie van speciaal ontworpen kwantumstippen."

Los Alamos-onderzoekers hebben veel belangrijke vooruitgang geboekt op het gebied van LSC, waaronder de ontwikkeling van praktische benaderingen voor het aanpakken van het probleem van zelfabsorptie door licht en het ontwikkelen van hoogrenderende dubbellaagse (tandem) apparaten. Verschillende start-ups, inclusief een spin-off van het laboratorium, UbiQD Inc., hebben actief de commercialisering van een quantum dot LSC-technologie nagestreefd.