2023 Nobel Kimya Ödülü, kuantum noktalarının keşfi ve geliştirilmesi için verildi. Nobel Komitesi, "Kuantum noktaları insanlığa en büyük faydaları sağlıyor ve potansiyellerini keşfetmeye daha yeni başladık." dedi. Bu ödül, kuantum nokta araştırmalarının en üst düzey tanınırlığını temsil etmekle kalmıyor, aynı zamanda ekran aydınlatması, enerji katalizi, biyomedikal ve kuantum teknolojisi gibi alanlardaki muazzam potansiyelini de vurguluyor. Bu özel rapor, özellikle çözücüde dağılmış sistemler olmak üzere silikon kuantum noktalarına odaklanarak, sentez yöntemleri, yapısal özellikler ve optik özelliklerdeki araştırma ilerlemesini ve çözeltide işlenmiş ışık yayan diyotlardaki (LED'ler) uygulamalarını sistematik olarak tanıtıyor.
Kuantum noktaları, yalnızca birkaç nanometre boyutlarında yarı iletken nanokristallerdir. Kolloidal kuantum noktaları birçok benzersiz avantaja 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 bir renk gamına sahiptirler; ve düşük sıcaklıklı çözelti yöntemleri kullanılarak oda sıcaklığında hazırlanabilir. Bu özellikler sayesinde, dar bant aralıklı mühendislik kontrolüne sahip çekirdek-kabuk yapıları gerçekleştirilmiş ve kuantum nokta televizyonlar gibi ticari ürünler başarıyla geliştirilmiştir. İleriye bakıldığında, 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 gelişimini yönlendirmesi beklenmektedir. Bu teknolojik dalganın etkisiyle küresel kuantum nokta pazarının %9,47'lik bir bileşik yıllık büyüme oranıyla büyümeye devam etmesi öngörülüyor.
Ancak, kuantum nokta teknolojisinin yaygın uygulaması hâlâ üç büyük zorlukla karşı karşıyadır: İlk olarak, hammaddelerin bulunabilirliği zordur 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, kolloidal silikon kuantum noktaları ve nanomalzemeleri doğası gereği ağır metallerden ve halojenlerden arındırılmış olup, sürdürülebilir yeni nesil ekranlar, katı hal aydınlatması, biyomedikal görüntüleme ve hatta son teknoloji kuantum alanları için ideal bir alternatif sunmaktadır. İkinci olarak, kuantum noktalarının verimlilik darboğazının acilen aşılması gerekmektedir. Kadmiyum bazlı ve perovskit kuantum noktaları neredeyse %100 kuantum verimine ulaşmış olsa da, ağır metal içermeyen sistemler yüzey kusurları ve eksik pasifleşme nedeniyle uzun süredir geride kalmıştır. Cesaret verici 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, çekirdeklenmeyi tetiklemek için öncünün yüksek sıcaklıktaki bir çözücüye hızla enjekte edilmesini gerektirir. Bu da sıcaklık kontrolü, inert atmosfer ve özel ekipman konusunda sıkı gereklilikler getirir ve 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 noktalarını sentezleyebilecek uygun bir öncül veya çözücü bulunmamaktadır.
Son yirmi yılda araştırma ekibi, silikon kuantum nokta araştırmalarında sistematik olarak birçok kilometre taşına ulaştı: üç renkli emisyon ve sürekli beyaz ışık emisyonu elde etmek; ilk gök mavisi yayan silikon kuantum nokta diyotunu geliştirmek; üretim maliyetlerini yüzlerce ila binlerce kat azaltan düşük maliyetli bir sentez yolu geliştirmek; pirinç kabukları kullanılarak sürdürülebilir silikon kuantum nokta diyotları hazırlamak; yaklaşık %80 kuantum verimi 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 aygıtları elde etmek; ve dört performans rekoru kırmak.
Japonya, Hiroşima Üniversitesi'nden Ken-ichi Saitow ve arkadaşları, %80'e varan kuantum verimine sahip yüksek kristalli silisyum kuantum noktalarının sentez yöntemlerini, yapısal özelliklerini ve fotofiziksel özelliklerini özel bir raporda özetlediler. Silisyum kuantum noktalarının avantajlarını özetledikten sonra, odak noktası kolloidal silisyum kuantum noktalarının sentetik yoluna, özellikle de hidrojen silseskioksan polimer yöntemine kayıyor. Bu yöntem, sıcak enjeksiyon adımına olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve ılıman oda sıcaklığı koşullarında gerçekleştirilebilir, böylece hızlı öncül enjeksiyonu ve sıkı çalışma prosedürleri gerekliliklerinden kaçınılır. Bu, deneysel süreci önemli ölçüde basitleştirir ve büyük ölçekli üretimi kolaylaştırır. Bu sentetik yola dayalı olarak hazırlanan hidrojen silseskioksan türevi malzemeler, silisyum kuantum nokta ışık yayan diyotlarda dört temel performans göstergesinde rekor kıran başarıları daha da kanıtlamaktadır.