December 8, 2021

Puntos cuánticos semiconductores: progreso tecnológico y desafíos futuros

Avances en puntos cuánticos coloidales

El confinamiento que se encuentra en los puntos cuánticos de semiconductores coloidales permite el diseño de materiales con propiedades ajustables. García de Arquer et al. revisar los avances recientes en los métodos de síntesis y funcionalización de superficies de puntos cuánticos que permiten un ajuste fino de sus propiedades ópticas, químicas y eléctricas. Estos importantes desarrollos han impulsado la comercialización de aplicaciones de visualización e iluminación y brindan desarrollos prometedores en los campos relacionados de la detección y el láser.

Ciencia, aaz8541, este número p. eaaz8541

Resumen estructurado

ANTECEDENTES

Los materiales semiconductores presentan propiedades ópticas y electrónicas que se pueden diseñar a través de su composición y estructura cristalina. El uso de semiconductores como el arseniuro de galio y silicio generó tecnologías desde computadoras y teléfonos móviles hasta láseres y satélites. Los puntos cuánticos semiconductores (QD) ofrecen una palanca adicional: debido a que su tamaño se reduce a la escala nanométrica en las tres dimensiones, el movimiento de electrones restringido conduce a una estructura electrónica discreta similar a un átomo y niveles de energía dependientes del tamaño. Esto permite el diseño de nanomateriales con absorción de luz ampliamente sintonizable, emisión brillante de colores puros, control sobre el transporte electrónico y una amplia sintonía de funciones químicas y físicas debido a su gran relación superficie-volumen.

AVANCES

La emisión de luz brillante y de banda estrecha de los semiconductores QD, sintonizable en el espectro visible e infrarrojo cercano, es atractiva para realizar pantallas más eficientes con colores más puros. Los QD están diseñados de forma composicional y estructural para manipular los estados de energía y las interacciones de carga, lo que genera ganancia óptica y láser, relevantes para la emisión de luz a través de longitudes de onda visibles e infrarrojas y comunicación de fibra óptica. Su química de superficie sintonizable permite la aplicación como etiquetas ópticas en bioimágenes, lo que es posible mediante la unión de QD con proteínas y anticuerpos. La manipulación de superficies QD con moléculas de remate que tienen diferentes funciones químicas y físicas se puede adaptar para programar su ensamblaje en sólidos semiconductores, aumentando la conductividad y permitiendo la transducción de estímulos fotónicos y químicos en señales eléctricas. Los dispositivos optoelectrónicos como transistores y fotodetectores conducen a cámaras sensibles a la luz visible e infrarroja. Los QD altamente cristalinos se pueden cultivar epitaxialmente en sustratos elegidos con criterio mediante el uso de condiciones de vacío y alta temperatura, y su uso ha llevado a láseres de alto rendimiento comercialmente viables. El advenimiento de los QD coloidales, que se pueden fabricar y procesar en solución en condiciones suaves, permitió la fabricación en grandes áreas y amplió el alcance de la aplicación QD a mercados como la electrónica de consumo y la energía fotovoltaica.

PANORAMA

Desde una perspectiva química, se necesitan más avances en la fabricación de QD para mantener y mejorar las propiedades químicas y optoelectrónicas deseadas y hacerlo con una alta reproducibilidad. Esto implica el uso de precursores y métodos de síntesis económicos que son capaces de conservar las propiedades QD a escala de laboratorio en volúmenes relevantes para el mercado. Se necesita una mejor comprensión de la imagen aún incompleta de las superficies QD, la disposición atómica y el carácter metaestable para impulsar un mayor progreso. Desde una perspectiva regulatoria, se necesita mayor atención para lograr materiales de alta calidad que no dependan de metales pesados ​​como Cd, Pb y Hg. El papel de la nanoestructuración en el análisis de la toxicidad y el ciclo de vida de cada aplicación es cada vez más importante. Desde la perspectiva de los materiales y la fotofísica, siguen existiendo oportunidades interesantes en la comprensión y el aprovechamiento de los electrones en materiales altamente confinados, cerrando la brecha entre las QD epitaxiales maduras y las QD coloidales todavía emergentes. La calidad todavía imperfecta de estos últimos, un precio que se paga hoy a cambio de su facilidad de fabricación, sigue siendo un desafío central y debe abordarse para lograr un mayor rendimiento en los dispositivos. Desde la perspectiva del dispositivo, la fabricación QD coloidal debe avanzar para traducirse de aplicaciones a escala de laboratorio a aplicaciones de gran superficie, como la impresión de rollo a rollo y de inyección de tinta. La fotocatálisis, en la que se utiliza la luz para impulsar transformaciones químicas, es un campo emergente en el que las QD son de interés. Las tecnologías de la información cuántica, que se basan en la transducción de luz y electrones coherentes, plantean nuevos desafíos y oportunidades para aprovechar los efectos del confinamiento cuántico. En el futuro, las oportunidades permanecen en el diseño de nuevas arquitecturas de dispositivos habilitadas para QD.

Tecnologías de puntos cuánticos de semiconductores.

Los puntos cuánticos presentan propiedades ópticas, eléctricas, químicas y físicas ampliamente sintonizables y distintivas. Abarcan recolección de energía, iluminación, pantallas, cámaras, sensores, tecnología de la información y las comunicaciones, biología y medicina, entre otros. Estos se han explotado para realizar láseres, pantallas, biotags y dispositivos de captación solar eficientes disponibles en el mercado y están surgiendo en la información fotovoltaica, de detección y cuántica.

Abstracto

En nanoestructuras de semiconductores confinados cuánticamente, los electrones exhiben un comportamiento distintivo en comparación con el de los sólidos a granel. Esto permite el diseño de materiales con propiedades químicas, físicas, eléctricas y ópticas ajustables. Los puntos cuánticos (QD) semiconductores de dimensión cero ofrecen una fuerte absorción de luz y una emisión de banda estrecha brillante en las longitudes de onda visible e infrarroja y han sido diseñados para exhibir ganancia óptica y láser. Estas propiedades son de interés para la obtención de imágenes, la recolección de energía solar, las pantallas y las comunicaciones. Aquí, ofrecemos una descripción general de los avances en la síntesis y comprensión de nanomateriales QD, con un enfoque en QD coloidales, y discutimos sus perspectivas en tecnologías como pantallas e iluminación, láseres, sensores, electrónica, conversión de energía solar, fotocatálisis y cuántica. información.