O Prêmio Nobel de Química de 2023 foi concedido pela descoberta e desenvolvimento dos pontos quânticos. O Comitê Nobel declarou: "Os pontos quânticos estão trazendo os maiores benefícios para a humanidade, e nossa exploração de seu potencial está apenas começando." Este prêmio não apenas representa o mais alto reconhecimento da pesquisa em pontos quânticos, mas também destaca seu enorme potencial em áreas como iluminação de displays, catálise energética, biomedicina e tecnologia quântica. Este relatório especial se concentra em pontos quânticos de silício, particularmente em sistemas dispersos em solventes, apresentando sistematicamente o progresso da pesquisa em métodos de síntese, propriedades estruturais e propriedades ópticas, bem como sua aplicação em diodos emissores de luz (LEDs) processados em solução.
Os pontos quânticos são nanocristais semicondutores com dimensões de apenas alguns nanômetros. Os pontos quânticos coloidais possuem diversas vantagens exclusivas: emissão de cor total ajustável em função do tamanho pode ser obtida por meio de processos sem vácuo; seu rendimento quântico de fotoluminescência pode se aproximar de 100%; eles têm uma largura de banda de emissão estreita de 20 a 40 nm, com uma gama de cores três a quatro vezes maior que a dos diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs); e podem ser preparados à temperatura ambiente usando métodos de solução a baixa temperatura. Graças a essas características, estruturas núcleo-casca com controle de engenharia de banda proibida estreita foram realizadas e produtos comerciais, como televisores de pontos quânticos, foram desenvolvidos com sucesso. Olhando para o futuro, espera-se que os pontos quânticos desempenhem um papel central no desenvolvimento de LEDs miniaturizados, LEDs de tamanho micrométrico e tecnologias de LEDs de pontos quânticos, e impulsionem o desenvolvimento de tecnologias de próxima geração para optoeletrônica centrada no ser humano, como dispositivos vestíveis flexíveis. Impulsionado por essa onda tecnológica, o mercado global de pontos quânticos deverá continuar a expandir-se a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 9,47%.
No entanto, a aplicação generalizada da tecnologia de pontos quânticos ainda enfrenta três grandes desafios: Primeiro, a disponibilidade de matérias-primas é difícil e pode representar riscos à segurança. Atualmente, os pontos quânticos disponíveis comercialmente são baseados principalmente em materiais de metais pesados, como o metal raro índio e os metais tóxicos cádmio e chumbo. Em contraste, os pontos quânticos de silício coloidal e seus nanomateriais são inerentemente livres de metais pesados e halogênios, oferecendo uma alternativa ideal para telas sustentáveis de próxima geração, iluminação de estado sólido, imagens biomédicas e até mesmo campos quânticos de ponta. Segundo, o gargalo da eficiência dos pontos quânticos precisa ser superado com urgência. Embora os pontos quânticos à base de cádmio e perovskita tenham atingido um rendimento quântico próximo a 100%, os sistemas livres de metais pesados estão atrasados devido a defeitos de superfície e passivação incompleta. Felizmente, pesquisas recentes aumentaram o rendimento quântico dos pontos quânticos de silício para mais de 70%. Terceiro, os métodos de síntese existentes precisam ser simplificados com urgência. O método de injeção a quente, amplamente utilizado, requer a injeção rápida do precursor em um solvente de alta temperatura para desencadear a nucleação, impondo exigências rigorosas em relação ao controle de temperatura, atmosfera inerte e equipamentos especializados, resultando em altos custos para a produção em larga escala. Mais importante ainda, atualmente não existe um precursor ou solvente adequado que possa sintetizar pontos quânticos de silício com alta cristalinidade e excelentes propriedades ópticas utilizando o método de injeção a quente.
Ao longo das últimas duas décadas, a equipe de pesquisa avançou sistematicamente em diversos marcos na pesquisa de pontos quânticos de silício: alcançando emissão tricolor e emissão contínua de luz branca; desenvolvendo o primeiro diodo de ponto quântico de silício emissor de azul celeste; desenvolvendo uma rota de síntese de baixo custo que reduz os custos de produção em centenas a milhares de vezes; preparando diodos de ponto quântico de silício sustentáveis usando cascas de arroz; obtendo pontos quânticos de silício com um rendimento quântico de aproximadamente 80% e cristalinidade bem definida; fabricando filmes finos tricolores duráveis em vermelho, verde e azul; alcançando dispositivos de diodo emissor de luz com uma eficiência quântica externa superior a 10%; e estabelecendo quatro recordes de desempenho.
Ken-ichi Saitow e colaboradores da Universidade de Hiroshima, Japão, resumiram os métodos de síntese, as características estruturais e as propriedades fotofísicas de pontos quânticos de silício altamente cristalinos com um rendimento quântico de até 80% em um relatório especial. Após destacar as vantagens dos pontos quânticos de silício, o foco se volta para a rota sintética de pontos quânticos de silício coloidais, particularmente o método do polímero de silsesquioxano hidrogenado. Este método elimina a necessidade de uma etapa de injeção a quente e pode ser realizado em condições amenas de temperatura ambiente, evitando a necessidade de injeção rápida de precursores e procedimentos operacionais rigorosos. Isso simplifica significativamente o processo experimental e facilita a produção em larga escala. Os materiais derivados de silsesquioxano hidrogenado preparados com base nessa rota sintética demonstram ainda mais as conquistas recordes em diodos emissores de luz de pontos quânticos de silício em quatro indicadores-chave de desempenho.