Årtiers forskning bringer kvanteprikker til randen af ​​udbredt brug

En ny artikel i Videnskab magasin giver et overblik over næsten tre årtiers forskning i kolloide kvanteprikker, vurderer de teknologiske fremskridt for disse nanometerstore specifikationer af halvledermateriale, og afvejer de resterende udfordringer på vejen til udbredt kommercialisering af denne lovende teknologi med anvendelser i alt fra tv'er til højeffektive sollysfangere.

"For tredive år siden, disse strukturer var blot et emne for videnskabelig nysgerrighed studeret af en lille gruppe entusiaster. I årenes løb, kvanteprikker er blevet materialer af industriel kvalitet, der udnyttes i en række traditionelle og nye teknologier, hvoraf nogle allerede har fundet vej til kommercielle markeder, " sagde Victor I. Klimov, en medforfatter af papiret og leder af holdet, der udfører kvanteprikforskning ved Los Alamos National Laboratory.

Mange fremskridt beskrevet i Videnskab artiklen stammer fra Los Alamos, inklusive den første demonstration af kolloid kvantepunktlasing, opdagelsen af ​​bærer multiplikation, banebrydende forskning i kvantepunkt-lysemitterende dioder (LED'er) og selvlysende solenergikoncentratorer, og nyere undersøgelser af enkeltpunkts kvanteemittere.

Ved hjælp af moderne kolloid kemi, dimensionerne og den indre struktur af kvanteprikker kan manipuleres med næsten atomær præcision, som giver mulighed for meget nøjagtig kontrol af deres fysiske egenskaber og dermed adfærd i praktiske enheder.

En række igangværende bestræbelser på praktiske anvendelser af kolloide kvanteprikker har udnyttet størrelseskontrolleret afstemning af deres emissionsfarve og højemissions kvanteudbytter nær den ideelle 100 procent grænse. Disse egenskaber er attraktive til skærmvisninger og belysning, de teknologier, hvor kvanteprikker bruges som farvekonverterende fosfor. På grund af deres smalbånd, spektralt indstillelig emission, kvanteprikker giver mulighed for forbedret farverenhed og mere fuldstændig dækning af hele farverummet sammenlignet med de eksisterende fosformaterialer. Nogle af disse enheder, såsom quantum dot tv'er, har allerede nået teknologisk modenhed og er tilgængelige på kommercielle markeder.

Den næste grænse er at skabe teknologisk levedygtige LED'er, drevet af elektrisk drevne kvanteprikker. Det Videnskab review beskriver forskellige tilgange til at implementere disse enheder og diskuterer de eksisterende udfordringer. Quantum LED'er har allerede nået imponerende lysstyrke og næsten ideelle effektiviteter nær de teoretisk definerede grænser. En stor del af disse fremskridt er blevet drevet af fortsatte fremskridt i forståelsen af ​​de præstationsbegrænsende faktorer, såsom ikke-strålende Auger-rekombination.

Artiklen diskuterer også status og udfordringer ved løsningsprocesserbare kvantepriklasere.

"At stille disse lasere til rådighed vil gavne en række teknologier, inklusive integrerede fotoniske kredsløb, optisk kommunikation, lab-on-a-chip platforme, bærbare enheder, og medicinsk diagnostik, " sagde Klimov.

Los Alamos-forskere har bidraget med vigtige fremskridt på dette område, herunder belysningen af ​​mekanismer til lysforstærkning i kolloide nanostrukturer og den første demonstration af en lasereffekt ved hjælp af disse materialer.

"Den primære aktuelle udfordring er at demonstrere lasering med elektrisk pumpning, " sagde Klimov. "Los Alamos har været ansvarlig for adskillige vigtige milepæle på vejen til dette mål, herunder realiseringen af ​​optisk forstærkning med elektrisk excitation og udviklingen af ​​dobbeltfunktionsenheder, der fungerer som en optisk pumpet laser og en standard elektrisk drevet LED ."

Kvanteprikker er også af stor potentiel nytte i solfangst og lyssensorteknologier. På grund af deres afstembare båndgab, de kan konstrueres til at målrette et bestemt område af bølgelængder, hvilket er særligt attraktivt til at realisere billige fotodetektorer til det infrarøde spektralområde. Inden for solenergiteknologier, kolloide kvanteprikker er blevet udnyttet som aktive elementer i både solceller og selvlysende sollyssamlere.

I tilfælde af fotovoltaik (PV), quantum dot-tilgangen kunne bruges til at realisere en ny generation af billige, tyndfilm PV-enheder fremstillet ved skalerbare løsningsbaserede teknikker såsom rulle-for-rulle-behandling. Ud over, de kunne muliggøre konceptuelt nye fotokonverteringsskemaer afledt af fysiske processer, der er unikke for ultrasmå "kvante-begrænsede" kolloide partikler. En sådan proces, bærer multiplikation, genererer flere elektron-hul-par af en enkelt absorberet foton. denne proces, første gang rapporteret af Los Alamos-forskere i 2004, har været genstand for intens forskning i forbindelse med dets anvendelser i både PV'er og solfotokemi.

"Et andet meget lovende område er quantum dot luminescerende solkoncentratorer eller LSC'er, " sagde Klimov. "Ved at bruge LSC-tilgangen, man kan, i princippet, konvertere standardvinduer eller vægbeklædninger til strømgenererende enheder. Sammen med solcellemoduler på taget, dette kunne hjælpe med at forsyne en hel bygning med ren energi. Mens LSC-konceptet blev introduceret tilbage i 1970'erne, det blomstrede virkelig først for nylig på grund af introduktionen af ​​specielt konstruerede kvanteprikker."

Los Alamos-forskere har bidraget med mange vigtige fremskridt til LSC-området, herunder udviklingen af ​​praktiske tilgange til at tackle problemet med selvabsorbering af lys og udvikling af højeffektive tolags (tandem) enheder. Flere nystartede virksomheder, inklusive en laboratorie-spin-off, UbiQD Inc., har aktivt forfulgt kommercialisering af en kvantedot LSC-teknologi.