Un nuevo artículo en Ciencias La revista ofrece una descripción general de casi tres décadas de investigación sobre puntos cuánticos coloidales, evalúa el progreso tecnológico de estas especificaciones nanométricas de materia semiconductora, y sopesa los desafíos restantes en el camino hacia la comercialización generalizada de esta tecnología prometedora con aplicaciones en todo, desde televisores hasta colectores de luz solar altamente eficientes.

"Hace treinta años, estas estructuras fueron solo un tema de curiosidad científica estudiado por un pequeño grupo de entusiastas. A través de los años, los puntos cuánticos se han convertido en materiales de grado industrial explotados en una variedad de tecnologías tradicionales y emergentes, algunos de los cuales ya se han abierto camino en los mercados comerciales, "dijo Victor I. Klimov, coautor del artículo y líder del equipo que realiza la investigación de puntos cuánticos en el Laboratorio Nacional de Los Alamos.

Muchos avances descritos en el Ciencias artículo originado en Los Alamos, incluida la primera demostración de láser de puntos cuánticos coloidales, el descubrimiento de la multiplicación de portadores, investigación pionera en diodos emisores de luz (LED) de puntos cuánticos y concentradores solares luminiscentes, y estudios recientes de emisores cuánticos de un solo punto.

Usando química coloidal moderna, las dimensiones y la estructura interna de los puntos cuánticos se pueden manipular con precisión casi atómica, lo que permite un control muy preciso de sus propiedades físicas y por lo tanto comportamientos en dispositivos prácticos.

Varios esfuerzos en curso en aplicaciones prácticas de puntos cuánticos coloidales han explotado la sintonización de tamaño controlado de su color de emisión y rendimientos cuánticos de alta emisión cerca del límite ideal del 100 por ciento. Estas propiedades son atractivas para pantallas e iluminación, las tecnologías en las que se utilizan puntos cuánticos como fósforos de conversión de color. Debido a su banda estrecha, emisión espectralmente sintonizable, Los puntos cuánticos permiten una mayor pureza del color y una cobertura más completa de todo el espacio de color en comparación con los materiales de fósforo existentes. Algunos de estos dispositivos, como televisores de puntos cuánticos, ya han alcanzado la madurez tecnológica y están disponibles en los mercados comerciales.

La próxima frontera es la creación de LED tecnológicamente viables, alimentado por puntos cuánticos impulsados ​​eléctricamente. los Ciencias La revisión describe varios enfoques para implementar estos dispositivos y analiza los desafíos existentes. Los LED cuánticos ya han alcanzado un brillo impresionante y eficiencias casi ideales cerca de los límites definidos teóricamente. Gran parte de este progreso ha sido impulsado por los continuos avances en la comprensión de los factores que limitan el rendimiento, como la recombinación de Auger no radiativa.

El artículo también analiza el estado y los desafíos de los láseres de puntos cuánticos procesables en solución.

"Hacer que estos láseres estén disponibles beneficiaría a una variedad de tecnologías, incluidos los circuitos fotónicos integrados, comunicación óptica, plataformas de laboratorio en un chip, dispositivos portátiles, y diagnósticos médicos, ", Dijo Klimov.

Los investigadores de Los Alamos han contribuido con avances clave en esta área, incluida la elucidación de los mecanismos para la amplificación de la luz en nanoestructuras coloidales y la primera demostración de un efecto láser utilizando estos materiales.

"El principal desafío actual es demostrar el láser con bombeo eléctrico, ", Dijo Klimov." Los Alamos ha sido responsable de varios hitos importantes en el camino hacia este objetivo, incluida la realización de la ganancia óptica con excitación eléctrica y el desarrollo de dispositivos de función dual que operan como un láser bombeado ópticamente y un LED estándar impulsado eléctricamente. . "

Los puntos cuánticos también son de gran utilidad potencial en tecnologías de captación solar y detección de luz. Debido a su banda prohibida sintonizable, Pueden diseñarse para apuntar a un rango particular de longitudes de onda, lo cual es especialmente atractivo para realizar fotodetectores económicos para el rango espectral infrarrojo. En el ámbito de las tecnologías de energía solar, Los puntos cuánticos coloidales se han aprovechado como elementos activos tanto de las células solares como de los colectores de luz solar luminiscente.

En el caso de la energía fotovoltaica (PV), el enfoque de puntos cuánticos podría utilizarse para realizar una nueva generación de Dispositivos fotovoltaicos de película delgada preparados mediante técnicas escalables basadas en soluciones, como el procesamiento rollo a rollo. Además, podrían permitir esquemas de fotoconversión conceptualmente nuevos derivados de procesos físicos exclusivos de partículas coloidales ultrapequeñas "confinadas cuánticamente". Uno de esos procesos, multiplicación de portadores, genera múltiples pares de electrones y huecos por un solo fotón absorbido. Este proceso, reportado por primera vez por investigadores de Los Alamos en 2004, ha sido objeto de una intensa investigación en el contexto de sus aplicaciones tanto en la energía fotovoltaica como en la fotoquímica solar.

"Otra área muy prometedora son los concentradores solares luminiscentes de puntos cuánticos o LSC, ", Dijo Klimov." Utilizando el enfoque LSC, uno puede, en principio, Convierta ventanas estándar o revestimientos de paredes en dispositivos de generación de energía. Junto con los módulos solares en la azotea, esto podría ayudar a suministrar energía limpia a todo un edificio. Si bien el concepto LSC se introdujo en la década de 1970, realmente floreció sólo recientemente debido a la introducción de puntos cuánticos especialmente diseñados ".

Los investigadores de Los Alamos han contribuido con muchos avances importantes en el campo de LSC, incluido el desarrollo de enfoques prácticos para abordar el problema de la autoabsorción de la luz y el desarrollo de dispositivos bicapa (tándem) de alta eficiencia. Varias empresas emergentes, incluida una spin-off de laboratorio, UbiQD Inc., han estado buscando activamente la comercialización de una tecnología LSC de punto cuántico.