Десятилетия исследований выводят квантовые точки на грань широкого использования

В новой статье в журнале Science дается обзор почти трех десятилетий исследований коллоидных квантовых точек, дается оценка технологического прогресса этих нанометровых размеров полупроводниковой материи и взвешиваются остающиеся проблемы на пути к широкой коммерциализации этой многообещающей технологии с помощью применения во всем, от телевизоров до высокоэффективных коллекторов солнечного света.

«Тридцать лет назад эти структуры были просто предметом научного любопытства, изучаемого небольшой группой энтузиастов. С годами квантовые точки стали материалами промышленного уровня, используемыми в целом ряде традиционных и новых технологий, некоторые из которых уже нашли их путь на коммерческие рынки », — сказал Виктор Климов, соавтор статьи и руководитель группы, проводящей исследования квантовых точек в Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Многие достижения, описанные в статье Science, возникли в Лос-Аламосе, в том числе первая демонстрация генерации на коллоидных квантовых точках, открытие умножения носителей, новаторские исследования светоизлучающих диодов (СИД) с квантовыми точками и люминесцентных концентраторов солнечного излучения, а также недавние исследования одиночных ламп. точечные квантовые излучатели.

Используя современную коллоидную химию, можно управлять размерами и внутренней структурой квантовых точек с точностью, близкой к атомной, что позволяет с высокой точностью контролировать их физические свойства и, следовательно, поведение в практических устройствах.

В ряде продолжающихся усилий по практическому применению коллоидных квантовых точек использовалась регулируемая по размеру настраиваемость цвета их излучения и квантовые выходы с высоким уровнем излучения, близкие к идеальному 100-процентному пределу. Эти свойства привлекательны для экранов и освещения, технологий, в которых квантовые точки используются в качестве люминофоров, преобразующих цвет. Благодаря узкополосному спектрально настраиваемому излучению квантовые точки позволяют улучшить чистоту цвета и более полный охват всего цветового пространства по сравнению с существующими люминофорными материалами. Некоторые из этих устройств, например телевизоры с квантовыми точками, уже достигли технологической зрелости и доступны на коммерческих рынках.

Следующим этапом развития является создание технологически жизнеспособных светодиодов, работающих на квантовых точках с электрическим приводом. В обзоре Science описываются различные подходы к реализации этих устройств и обсуждаются существующие проблемы. Квантовые светодиоды уже достигли впечатляющей яркости и почти идеальной эффективности, близкой к теоретически определенным пределам. Большая часть этого прогресса была достигнута благодаря постоянному прогрессу в понимании факторов, ограничивающих производительность, таких как безызлучательная оже-рекомбинация.

В статье также обсуждается состояние и проблемы, связанные с лазерами на квантовых точках.

«Доступность этих лазеров принесет пользу целому ряду технологий, включая интегральные фотонные схемы, оптическую связь, платформы« лаборатория на кристалле », носимые устройства и медицинскую диагностику», — сказал Климов.

Исследователи из Лос-Аламоса внесли важный вклад в эту область, включая выяснение механизмов усиления света в коллоидных наноструктурах и первую демонстрацию лазерного эффекта с использованием этих материалов.

«Основная задача по току — продемонстрировать генерацию с электрической накачкой», — сказал Климов. «Лос-Аламос был ответственен за несколько важных этапов на пути к этой цели, включая реализацию оптического усиления с электрическим возбуждением и разработку устройств двойного назначения, которые работают как лазер с оптической накачкой и стандартный светодиод с электрическим приводом».

Квантовые точки также имеют большую потенциальную пользу в технологиях сбора солнечной энергии и светового восприятия. Благодаря настраиваемой ширине запрещенной зоны они могут быть спроектированы для нацеливания на определенный диапазон длин волн, что особенно привлекательно для реализации недорогих фотодетекторов для инфракрасного спектрального диапазона. В области технологий солнечной энергии коллоидные квантовые точки используются в качестве активных элементов как солнечных элементов, так и люминесцентных коллекторов солнечного света.

В случае фотовольтаики (PV) подход с квантовыми точками может быть использован для реализации нового поколения недорогих тонкопленочных фотоэлектрических устройств, изготовленных с помощью масштабируемых методов, основанных на решениях, таких как рулонная обработка. Кроме того, они могут позволить создать принципиально новые схемы фотопреобразования, основанные на физических процессах, уникальных для сверхмалых коллоидных частиц с «ограниченными квантовыми размерами». Один из таких процессов, умножение носителей, генерирует множество электронно-дырочных пар с помощью одного поглощенного фотона. Этот процесс, о котором впервые сообщили исследователи из Лос-Аламоса в 2004 году, стал предметом интенсивных исследований в контексте его приложений как в фотоэлектрических системах, так и в фотохимии Солнца.

«Еще одна очень многообещающая область — это люминесцентные солнечные концентраторы на квантовых точках или LSC», — сказал Климов. «Используя подход LSC, можно, в принципе, преобразовать стандартные окна или обшивку стен в устройства для выработки электроэнергии. Наряду с солнечными модулями на крыше это может помочь обеспечить все здание чистой энергией. Хотя концепция LSC была представлена ​​еще в 1970-е годы по-настоящему процветали только недавно, благодаря появлению специально разработанных квантовых точек ».

Исследователи из Лос-Аламоса внесли много важных достижений в область LSC, включая разработку практических подходов к решению проблемы самопоглощения света и разработку высокоэффективных двухслойных (тандемных) устройств. Несколько стартапов, в том числе дочерняя лаборатория UbiQD Inc., активно занимались коммерциализацией технологии LSC с квантовыми точками.