Um novo artigo em Ciência revista dá uma visão geral de quase três décadas de pesquisa em pontos quânticos coloidais, avalia o progresso tecnológico para essas especificações nanométricas de matéria semicondutora, e pondera os desafios restantes no caminho para a comercialização generalizada dessa tecnologia promissora com aplicações em tudo, desde TVs até coletores de luz solar altamente eficientes.

"Trinta anos atrás, essas estruturas foram apenas um assunto de curiosidade científica estudado por um pequeno grupo de entusiastas. Ao longo dos anos, os pontos quânticos tornaram-se materiais de nível industrial explorados em uma variedade de tecnologias tradicionais e emergentes, alguns dos quais já encontraram seu caminho nos mercados comerciais, "disse Victor I. Klimov, co-autor do artigo e líder da equipe de pesquisa de pontos quânticos no Laboratório Nacional de Los Alamos.

Muitos avanços descritos no Ciência artigo originado em Los Alamos, incluindo a primeira demonstração de laser de ponto quântico coloidal, a descoberta da multiplicação de portadores, pesquisa pioneira em diodos emissores de luz de pontos quânticos (LEDs) e concentradores solares luminescentes, e estudos recentes de emissores quânticos de ponto único.

Usando química coloidal moderna, as dimensões e a estrutura interna dos pontos quânticos podem ser manipuladas com precisão quase atômica, o que permite um controle altamente preciso de suas propriedades físicas e, portanto, de comportamentos em dispositivos práticos.

Uma série de esforços contínuos em aplicações práticas de pontos quânticos coloidais exploraram a sintonia controlada por tamanho de sua cor de emissão e rendimentos quânticos de alta emissão perto do limite ideal de 100 por cento. Essas propriedades são atraentes para telas e iluminação, as tecnologias em que os pontos quânticos são usados ​​como fósforos de conversão de cores. Devido à sua banda estreita, emissão espectralmente sintonizável, os pontos quânticos permitem pureza de cor aprimorada e cobertura mais completa de todo o espaço de cores em comparação com os materiais de fósforo existentes. Alguns desses dispositivos, como TVs de pontos quânticos, já atingiram a maturidade tecnológica e estão disponíveis nos mercados comerciais.

A próxima fronteira é a criação de LEDs tecnologicamente viáveis, alimentado por pontos quânticos eletricamente acionados. o Ciência revisão descreve várias abordagens para implementar esses dispositivos e discute os desafios existentes. Os LEDs Quantum já atingiram brilho impressionante e eficiências quase ideais perto dos limites definidos teoricamente. Muito desse progresso foi impulsionado por avanços contínuos na compreensão dos fatores de limitação de desempenho, como recombinação Auger não radiativa.

O artigo também discute o status e os desafios dos lasers de pontos quânticos processáveis ​​por solução.

"Disponibilizar esses lasers beneficiaria uma série de tecnologias, incluindo circuitos fotônicos integrados, comunicação óptica, plataformas lab-on-a-chip, dispositivos vestíveis, e diagnósticos médicos, "Klimov disse.

Os pesquisadores de Los Alamos contribuíram com avanços importantes nesta área, incluindo a elucidação de mecanismos para amplificação de luz em nanoestruturas coloidais e a primeira demonstração de um efeito de laser usando esses materiais.

"O principal desafio atual é demonstrar lasing com bombeamento elétrico, "Klimov disse." Los Alamos foi responsável por vários marcos importantes no caminho para este objetivo, incluindo a realização de ganho óptico com excitação elétrica e o desenvolvimento de dispositivos de função dupla que operam como um laser opticamente bombeado e um LED eletricamente acionado padrão . "

Os pontos quânticos também são de grande utilidade potencial na colheita solar e tecnologias de detecção de luz. Devido ao seu bandgap sintonizável, eles podem ser projetados para atingir uma determinada faixa de comprimentos de onda, que é especialmente atraente para a obtenção de fotodetectores baratos para a faixa espectral do infravermelho. No reino das tecnologias de energia solar, pontos quânticos coloidais têm sido explorados como elementos ativos de células solares e coletores de luz solar luminescente.

No caso da energia fotovoltaica (PV), a abordagem do ponto quântico pode ser usada para realizar uma nova geração de produtos baratos, Dispositivos PV de filme fino preparados por técnicas baseadas em soluções escalonáveis, como processamento rolo a rolo. Além disso, eles poderiam permitir esquemas de fotoconversão concebivelmente novos derivados de processos físicos exclusivos de partículas coloidais ultrapequenas "confinadas por quantum". Um desses processos, multiplicação de portadoras, gera vários pares de elétron-buraco por um único fóton absorvido. Este processo, relatado pela primeira vez por pesquisadores de Los Alamos em 2004, tem sido objeto de intensa pesquisa no contexto de suas aplicações em PVs e fotoquímica solar.

"Outra área altamente promissora são os concentradores solares luminescentes de pontos quânticos ou LSCs, "Klimov disse." Usando a abordagem LSC, um pode, em princípio, converter janelas padrão ou laterais de parede em dispositivos de geração de energia. Junto com os módulos solares do telhado, isso poderia ajudar a abastecer todo um edifício com energia limpa. Embora o conceito LSC tenha sido introduzido na década de 1970, ele realmente floresceu apenas recentemente devido à introdução de pontos quânticos especialmente projetados. "

Os pesquisadores de Los Alamos contribuíram com muitos avanços importantes para o campo LSC, incluindo o desenvolvimento de abordagens práticas para lidar com o problema de auto-absorção de luz e desenvolver dispositivos de duas camadas (tandem) de alta eficiência. Vários start-ups, incluindo um spin-off de laboratório, UbiQD Inc., têm buscado ativamente a comercialização de uma tecnologia LSC de pontos quânticos.