En ny artikel i Vetenskap tidningen ger en översikt över nästan tre decenniers forskning om kolloidala kvantprickar, bedömer de tekniska framstegen för dessa nanometerstora specifikationer av halvledarmaterial, och väger de återstående utmaningarna på vägen mot utbredd kommersialisering av denna lovande teknik med applikationer i allt från TV-apparater till högeffektiva solljussamlare.

"Trettio år sedan, dessa strukturer var bara ett ämne för vetenskaplig nyfikenhet som studerades av en liten grupp entusiaster. Över åren, kvantprickar har blivit material av industriell kvalitet som utnyttjas i en rad traditionella och framväxande teknologier, av vilka några redan har hittat sin väg till kommersiella marknader, sade Victor I. Klimov, en medförfattare till uppsatsen och ledare för teamet som utför kvantprickforskning vid Los Alamos National Laboratory.

Många framsteg som beskrivs i Vetenskap artikeln har sitt ursprung i Los Alamos, inklusive den första demonstrationen av kolloidal kvantpunktslasring, upptäckten av bärarmultiplikation, banbrytande forskning om quantum dot light emitting diodes (LEDs) och självlysande solkoncentratorer, och nyare studier av enpunktskvantemitters.

Med hjälp av modern kolloidal kemi, dimensionerna och den inre strukturen av kvantprickar kan manipuleras med nästan atomär precision, vilket möjliggör mycket noggrann kontroll av deras fysiska egenskaper och därigenom beteenden i praktiska enheter.

Ett antal pågående ansträngningar för praktiska tillämpningar av kolloidala kvantprickar har utnyttjat storlekskontrollerad avstämning av deras emissionsfärg och högemissionskvantutbyten nära den ideala 100-procentiga gränsen. Dessa egenskaper är attraktiva för skärmvisningar och belysning, teknologierna där kvantprickar används som färgomvandlande fosfor. På grund av deras smalband, spektralt avstämbar emission, kvantprickar möjliggör förbättrad färgrenhet och mer fullständig täckning av hela färgutrymmet jämfört med befintliga fosformaterial. Vissa av dessa enheter, till exempel kvantprick-tv, har redan nått teknisk mognad och är tillgängliga på kommersiella marknader.

Nästa gräns är att skapa tekniskt livskraftiga lysdioder, drivs av elektriskt drivna kvantprickar. De Vetenskap granskning beskriver olika tillvägagångssätt för att implementera dessa enheter och diskuterar de befintliga utmaningarna. Kvantlysdioder har redan nått imponerande ljusstyrka och nästan idealiska verkningsgrader nära de teoretiskt definierade gränserna. En stor del av dessa framsteg har drivits av fortsatta framsteg när det gäller att förstå de prestationsbegränsande faktorerna som icke-strålande Auger-rekombination.

Artikeln diskuterar också status och utmaningar för lösningsbearbetbara kvantpunktslasrar.

"Att göra dessa lasrar tillgängliga skulle gynna en rad olika tekniker, inklusive integrerade fotoniska kretsar, optisk kommunikation, lab-on-a-chip-plattformar, bärbara enheter, och medicinsk diagnostik, " sa Klimov.

Los Alamos-forskare har bidragit med viktiga framsteg inom detta område, inklusive klargörandet av mekanismer för ljusförstärkning i kolloidala nanostrukturer och den första demonstrationen av en lasreffekt med dessa material.

"Den primära nuvarande utmaningen är att demonstrera lasring med elektrisk pumpning, ", sa Klimov. "Los Alamos har varit ansvarig för flera viktiga milstolpar på vägen mot detta mål inklusive realiseringen av optisk förstärkning med elektrisk excitation och utvecklingen av enheter med dubbla funktioner som fungerar som en optiskt pumpad laser och en standard elektriskt driven LED ."

Kvantprickar är också av stor potentiell nytta i solskörd och ljusavkänningsteknologier. På grund av deras avstämbara bandgap, de kan konstrueras för att rikta sig mot ett visst intervall av våglängder, vilket är särskilt attraktivt för att realisera billiga fotodetektorer för det infraröda spektralområdet. Inom området för solenergiteknik, kolloidala kvantprickar har utnyttjats som aktiva element i både solceller och självlysande solljussamlare.

När det gäller solceller (PV), quantum dot -metoden kan användas för att förverkliga en ny generation av billiga, tunnfilms PV-enheter framställda av skalbara lösningsbaserade tekniker såsom roll-by-roll-bearbetning. Dessutom, de skulle kunna möjliggöra konceptuellt nya fotoomvandlingsscheman härledda från fysiska processer som är unika för ultrasmå "kvantbegränsade" kolloidala partiklar. En sådan process, bärarmultiplikation, genererar flera elektron-hålpar av en enda absorberad foton. Denna process, rapporterades först av Los Alamos-forskare 2004, har varit föremål för intensiv forskning i samband med dess tillämpningar inom både PV och solfotokemi.

"Ett annat mycket lovande område är quantum dot luminescerande solkoncentratorer eller LSC, ", sa Klimov. "Med hjälp av LSC-metoden, man kan, i princip, konvertera standardfönster eller väggbeklädnader till kraftgenererande enheter. Tillsammans med solcellsmoduler på taket, detta skulle kunna bidra till att förse en hel byggnad med ren energi. Medan LSC-konceptet introducerades redan på 1970-talet, det blomstrade verkligen bara nyligen på grund av introduktionen av speciellt konstruerade kvantprickar."

Los Alamos-forskare har bidragit med många viktiga framsteg till LSC-området, inklusive utvecklingen av praktiska tillvägagångssätt för att ta itu med problemet med självabsorption av ljus och utveckla högeffektiva tvåskikts (tandem) enheter. Flera nystartade företag, inklusive en laboratorieavknoppning, UbiQD Inc., har aktivt drivit kommersialisering av en quantum dot LSC -teknik.