Decenni di ricerca portano i punti quantici sull’orlo dell’uso diffuso

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Un nuovo articolo sulla rivista Science offre una panoramica di quasi tre decenni di ricerca sui punti quantici colloidali, valuta il progresso tecnologico per queste specifiche nanometriche di materia semiconduttrice e soppesa le sfide rimanenti sul percorso verso la commercializzazione diffusa di questa promettente tecnologia con applicazioni in tutti i campi, dai televisori ai collettori di luce solare altamente efficienti.

“Trent’anni fa queste strutture erano solo oggetto di curiosità scientifica studiata da un piccolo gruppo di appassionati. Nel corso degli anni i punti quantici sono diventati materiali di livello industriale sfruttati in una serie di tecnologie tradizionali ed emergenti, alcune delle quali hanno già trovato la loro strada nei mercati commerciali”, ha affermato Victor I. Klimov, coautore dell’articolo e leader del team che conduce la ricerca sui punti quantici presso il Los Alamos National Laboratory.

Molti progressi descritti nell’articolo di Science hanno avuto origine a Los Alamos, tra cui la prima dimostrazione del laser quantico colloidale, la scoperta della moltiplicazione dei portatori, la ricerca pionieristica sui diodi a emissione di luce (LED) e sui concentratori solari luminescenti e recenti studi su emettitori di punti quantici.

Utilizzando la moderna chimica colloidale, le dimensioni e la struttura interna dei punti quantici possono essere manipolate con precisione quasi atomica, il che consente un controllo estremamente accurato delle loro proprietà fisiche e quindi dei comportamenti nei dispositivi pratici.

Numerosi sforzi in corso sulle applicazioni pratiche dei punti quantici colloidali hanno sfruttato la sintonizzabilità controllata dalle dimensioni del loro colore di emissione e rese quantiche ad alta emissione vicino al limite ideale del 100%. Queste proprietà sono interessanti per gli schermi e l’illuminazione, le tecnologie in cui i punti quantici vengono utilizzati come fosfori per la conversione del colore. 

Grazie alla loro emissione a banda stretta e sintonizzabile spettrale, i punti quantici consentono una migliore purezza del colore e una copertura più completa dell’intero spazio colore rispetto ai materiali di fosforo esistenti. Alcuni di questi dispositivi, come i televisori a punti quantici, hanno già raggiunto la maturità tecnologica e sono disponibili nei mercati commerciali.

La prossima frontiera è la creazione di LED tecnologicamente validi, alimentati da punti quantici azionati elettricamente. La rivista Science descrive vari approcci per implementare questi dispositivi e discute le sfide esistenti. 

I LED Quantum hanno già raggiunto una luminosità impressionante e un’efficienza quasi ideale vicino ai limiti teoricamente definiti. Gran parte di questo progresso è stato guidato da continui progressi nella comprensione dei fattori limitanti le prestazioni come la ricombinazione Auger non radiativa.

L’articolo discute anche lo stato e le sfide dei laser a punti quantici processabili in soluzione.

“Rendere disponibili questi laser andrebbe a beneficio di una serie di tecnologie, tra cui circuiti fotonici integrati, comunicazione ottica, piattaforme lab-on-a-chip, dispositivi indossabili e diagnostica medica”, ha affermato Klimov.

I ricercatori di Los Alamos hanno contribuito a importanti progressi in questo settore, compresa la delucidazione dei meccanismi per l’amplificazione della luce nelle nanostrutture colloidali e la prima dimostrazione di un effetto laser utilizzando questi materiali.

“La sfida principale attuale è dimostrare il laser con il pompaggio elettrico”, sostiene Klimov. “Los Alamos è stato responsabile di diverse importanti pietre miliari nel percorso verso questo obiettivo, tra cui la realizzazione del guadagno ottico con eccitazione elettrica e lo sviluppo di dispositivi a doppia funzione che funzionano come un laser a pompaggio ottico e un LED elettrico standard”.

I punti quantici sono anche di grande potenziale utilità nelle tecnologie di raccolta solare e di rilevamento della luce. Grazie al loro bandgap sintonizzabile, possono essere progettati per indirizzare una particolare gamma di lunghezze d’onda, che è particolarmente interessante per la realizzazione di fotorivelatori economici per la gamma spettrale dell’infrarosso. 

Nel campo delle tecnologie per l’energia solare, i punti quantici colloidali sono stati sfruttati come elementi attivi sia delle celle solari che dei collettori di luce solare luminescente.

Nel caso del fotovoltaico (PV), l’approccio del punto quantico potrebbe essere utilizzato per realizzare una nuova generazione di dispositivi fotovoltaici a film sottile poco costosi preparati con tecniche basate su soluzioni scalabili come l’elaborazione roll-by-roll. 

Inoltre, potrebbero consentire schemi di fotoconversione concettualmente nuovi derivati ​​da processi fisici unici per particelle colloidali “confinate quantistiche” ultrapiccole. Uno di questi processi, la moltiplicazione dei portatori, genera più coppie elettrone-lacuna da un singolo fotone assorbito. 

Questo processo, segnalato per la prima volta dai ricercatori di Los Alamos nel 2004, è stato oggetto di intense ricerche nel contesto delle sue applicazioni sia nel fotovoltaico che nella fotochimica solare.

“Un’altra area molto promettente sono i concentratori solari luminescenti a punti quantici o LSC”, ha affermato Klimov. “Utilizzando l’approccio LSC, in linea di principio è possibile convertire finestre standard o rivestimenti per pareti in dispositivi per la generazione di energia. Insieme ai moduli solari sul tetto, ciò potrebbe aiutare a fornire energia pulita a un intero edificio. Mentre il concetto LSC è stato introdotto nel Negli anni ’70, è veramente fiorito solo di recente grazie all’introduzione di punti quantici appositamente progettati”.

I ricercatori di Los Alamos hanno contribuito a molti importanti progressi nel campo dell’LSC, compreso lo sviluppo di approcci pratici per affrontare il problema dell’autoassorbimento della luce e lo sviluppo di dispositivi a doppio strato (tandem) ad alta efficienza. Diverse start-up, tra cui uno spin-off del laboratorio, UbiQD Inc., hanno attivamente perseguito la commercializzazione di una tecnologia LSC a punti quantici.

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