2023 Nobel Kimya Ödülü, kuantum noktalarının keşfi ve geliştirilmesi nedeniyle verildi. Nobel Komitesi, "Kuantum noktaları insanlığa en büyük faydaları getiriyor ve potansiyellerini keşfetmeye henüz yeni başladık" açıklamasını yaptı. Bu ödül, kuantum noktası araştırmalarının en yüksek düzeyde tanınmasını temsil etmekle kalmayıp, aynı zamanda ekran aydınlatması, enerji katalizi, biyotıp ve kuantum teknolojisi gibi alanlardaki muazzam potansiyelini de vurgulamaktadır. Bu özel rapor, özellikle çözücüde dağılmış sistemler olmak üzere silikon kuantum noktalarına odaklanarak, sentez yöntemleri, yapısal özellikler ve optik özelliklerin yanı sıra çözeltiyle işlenmiş ışık yayan diyotlardaki (LED'ler) uygulamalarındaki araştırma ilerlemelerini sistematik olarak tanıtmaktadır.
Kuantum noktaları, yalnızca birkaç nanometre boyutunda yarı iletken nanokristallerdir. Kolloidal kuantum noktaları çeşitli benzersiz avantajlara sahiptir: vakumsuz işlemlerle boyut ayarlanabilir tam renkli emisyon elde edilebilir; fotolüminesans kuantum verimleri %100'e yaklaşabilir; 20-40 nm'lik dar bir emisyon bant genişliğine ve organik ışık yayan diyotların üç ila dört katı renk gamına sahiptirler; ve düşük sıcaklıkta çözelti yöntemleri kullanılarak oda sıcaklığında hazırlanabilirler. Bu özellikler sayesinde, dar bant aralığı mühendisliği kontrolüne sahip çekirdek-kabuk yapıları gerçekleştirilmiş ve kuantum nokta televizyonları gibi ticari ürünler başarıyla geliştirilmiştir. Geleceğe baktığımızda, kuantum noktalarının minyatür LED'lerin, mikron boyutlu LED'lerin ve kuantum nokta LED teknolojilerinin geliştirilmesinde merkezi bir rol oynaması ve esnek giyilebilir cihazlar gibi insan merkezli optoelektronik için yeni nesil teknolojilerin geliştirilmesini yönlendirmesi beklenmektedir. Bu teknolojik dalganın etkisiyle, küresel kuantum nokta pazarının yıllık %9,47'lik bir bileşik büyüme oranıyla genişlemeye devam etmesi bekleniyor.
Ancak, kuantum nokta teknolojisinin yaygın uygulaması hala üç büyük zorlukla karşı karşıya: Birincisi, ham madde temini zor ve güvenlik riskleri oluşturabilir. Şu anda, ticari olarak temin edilebilen kuantum noktaları çoğunlukla nadir metal indiyum ve toksik metaller kadmiyum ve kurşun gibi ağır metal malzemelere dayanmaktadır. Buna karşılık, koloidal silikon kuantum noktaları ve nanomalzemeleri doğası gereği ağır metallerden ve halojenlerden arındırılmış olup, sürdürülebilir yeni nesil ekranlar, katı hal aydınlatma, biyomedikal görüntüleme ve hatta en ileri kuantum alanları için ideal bir alternatif sunmaktadır. İkincisi, kuantum noktalarının verimlilik darboğazının acilen aşılması gerekmektedir. Kadmiyum bazlı ve perovskit kuantum noktaları %100'e yakın kuantum verimine ulaşmış olsa da, ağır metal içermeyen sistemler yüzey kusurları ve eksik pasivasyon nedeniyle uzun süredir geride kalmıştır. Sevindirici bir şekilde, son araştırmalar silikon kuantum noktalarının kuantum verimini %70'in üzerine çıkarmıştır. Üçüncüsü, mevcut sentez yöntemlerinin acilen basitleştirilmesi gerekmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıcak enjeksiyon yöntemi, öncü maddenin yüksek sıcaklıktaki bir çözücüye hızla enjekte edilmesini gerektirir; bu da sıcaklık kontrolü, inert atmosfer ve özel ekipman konusunda katı gereksinimler getirerek büyük ölçekli üretim için yüksek maliyetlere yol açar. Daha da önemlisi, şu anda sıcak enjeksiyon yöntemi kullanılarak hem yüksek kristalliğe hem de mükemmel optik özelliklere sahip silikon kuantum noktaları sentezleyebilecek uygun bir öncü madde veya çözücü bulunmamaktadır.
Son yirmi yılda, araştırma ekibi silikon kuantum noktası araştırmalarında sistematik olarak birçok önemli kilometre taşına imza attı: üç renkli emisyon ve sürekli beyaz ışık emisyonu elde etmek; ilk gök mavisi yayan silikon kuantum noktası diyotunu geliştirmek; üretim maliyetlerini yüzlerce ila binlerce kat azaltan düşük maliyetli bir sentez yolu geliştirmek; pirinç kabukları kullanarak sürdürülebilir silikon kuantum noktası diyotları hazırlamak; yaklaşık %80 kuantum verimine ve iyi tanımlanmış kristalliğe sahip silikon kuantum noktaları elde etmek; dayanıklı kırmızı, yeşil ve mavi üç renkli ince filmler üretmek; %10'u aşan harici kuantum verimliliğine sahip ışık yayan diyot cihazları elde etmek ve dört performans rekoru kırmak.
Japonya'daki Hiroşima Üniversitesi'nden Ken-ichi Saitow ve arkadaşları, özel bir raporda, %80'e varan kuantum verimine sahip yüksek kristalli silikon kuantum noktalarının sentez yöntemlerini, yapısal özelliklerini ve fotofiziksel özelliklerini özetlediler. Silikon kuantum noktalarının avantajlarını özetledikten sonra, odak noktası koloidal silikon kuantum noktalarının sentez yoluna, özellikle de hidrojen silseskioksan polimer yöntemine kayıyor. Bu yöntem, sıcak enjeksiyon adımına olan ihtiyacı ortadan kaldırıyor ve ılıman oda sıcaklığı koşullarında gerçekleştirilebiliyor; böylece hızlı öncü enjeksiyonu ve katı işletme prosedürlerinin gerekliliklerinden kaçınılıyor. Bu, deneysel süreci önemli ölçüde basitleştiriyor ve büyük ölçekli üretimi kolaylaştırıyor. Bu sentez yoluna dayalı olarak hazırlanan hidrojen silseskioksan türevli malzemeler, dört temel performans göstergesinde silikon kuantum nokta ışık yayan diyotlarda rekor kıran başarıları daha da gösteriyor.
