A 2023-as kémiai Nobel-díjat a kvantumpöttyök felfedezéséért és fejlesztéséért ítélték oda. A Nobel-bizottság kijelentette: " A kvantumpöttyök a legnagyobb előnyökkel járnak az emberiség számára, és a bennük rejlő lehetőségek feltárása csak most kezdődött el. " Ez a díj nemcsak a kvantumpötty-kutatás legmagasabb elismerését jelenti, hanem kiemeli hatalmas potenciálját olyan területeken, mint a kijelzővilágítás, az energiakatalízis, a biomedicina és a kvantumtechnológia. Ez a különjelentés a szilícium kvantumpöttyökre, különösen az oldószerben diszpergált rendszerekre összpontosít, szisztematikusan bemutatva a szintézismódszerek, a szerkezeti tulajdonságok és az optikai tulajdonságok kutatási eredményeit, valamint az oldatban előállított fénykibocsátó diódákban (LED-ekben) való alkalmazásukat.
A kvantumpöttyök félvezető nanokristályok, amelyek mérete mindössze néhány nanométer. A kolloidális kvantumpöttyök számos egyedi előnnyel rendelkeznek: a méretszabályozható teljes színű emisszió nem vákuumos eljárásokkal érhető el; fotolumineszcencia kvantumhozamuk megközelítheti a 100%-ot; keskeny, 20-40 nm-es emissziós sávszélességgel rendelkeznek, a színskálájuk pedig háromszor-négyszerese a szerves fénykibocsátó diódákénak; és szobahőmérsékleten, alacsony hőmérsékletű oldatos módszerekkel előállíthatók. Ezen tulajdonságoknak köszönhetően szűk tiltott sávú mérnöki szabályozással rendelkező mag-héj struktúrák valósultak meg, és sikeresen fejlesztettek ki kereskedelmi forgalomban kapható termékeket, például kvantumpötty-televíziókat. A jövőre nézve a kvantumpöttyök várhatóan központi szerepet játszanak majd a miniatűr LED-ek, a mikron méretű LED-ek és a kvantumpötty-LED-technológiák fejlesztésében, és előmozdítják a következő generációs technológiák fejlesztését az emberközpontú optoelektronika számára, például a nyújtható viselhető eszközök számára. E technológiai hullám hatására a globális kvantumpötty-piac várhatóan tovább fog bővülni 9,47%-os éves összetett növekedési rátával.
A kvantumpötty-technológia széles körű alkalmazása azonban továbbra is három fő kihívással néz szembe: Először is, a nyersanyagok beszerzése nehézkes, és biztonsági kockázatokat jelenthet. Jelenleg a kereskedelmi forgalomban kapható kvantumpöttyök többnyire nehézfém anyagokon alapulnak, mint például a ritka fém indium, valamint a mérgező fémek, a kadmium és az ólom. Ezzel szemben a kolloid szilícium kvantumpöttyök és nanoanyagaik természetüknél fogva mentesek a nehézfémektől és a halogénektől, így ideális alternatívát kínálnak a fenntartható következő generációs kijelzők, a szilárdtest világítás, a biomedicinális képalkotás és még a legmodernebb kvantumterek számára is. Másodszor, a kvantumpöttyök hatékonysági szűk keresztmetszetét sürgősen le kell küzdeni. Bár a kadmiumalapú és a perovszkit kvantumpöttyök közel 100%-os kvantumhozamot értek el, a nehézfémmentes rendszerek régóta lemaradtak a felületi hibák és a hiányos passziválás miatt. Biztató, hogy a legújabb kutatások a szilícium kvantumpöttyök kvantumhozamát több mint 70%-ra növelték. Harmadszor, a meglévő szintézismódszereket sürgősen egyszerűsíteni kell. A széles körben használt forróbefecskendezéses módszer megköveteli a prekurzor gyors befecskendezését egy magas hőmérsékletű oldószerbe a nukleáció megindításához, ami szigorú követelményeket támaszt a hőmérséklet-szabályozással, az inert atmoszférával és a speciális berendezésekkel szemben, ami magas költségeket eredményez a nagyméretű termelés esetében. Ennél is fontosabb, hogy jelenleg nincs megfelelő prekurzor vagy oldószer, amely forróbefecskendezéses módszerrel képes lenne nagy kristályosságú és kiváló optikai tulajdonságokkal rendelkező szilícium kvantumpöttyöket szintetizálni.
Az elmúlt két évtizedben a kutatócsoport szisztematikusan számos mérföldkövet ért el a szilícium kvantumpötty-kutatásban: elérte a háromszínű emissziót és a folyamatos fehér fénykibocsátást; kifejlesztette az első égkék fényt sugárzó szilícium kvantumpötty-diódát; kidolgozott egy alacsony költségű szintézisutat, amely több százszorosára, sőt ezerszeresére csökkenti a termelési költségeket; fenntartható szilícium kvantumpötty-diódákat állított elő rizshéj felhasználásával; körülbelül 80%-os kvantumhozamú és jól definiált kristályosságú szilícium kvantumpöttyöket állított elő; tartós piros, zöld és kék háromszínű vékonyrétegeket gyártott; olyan fénykibocsátó dióda eszközöket állított elő, amelyek külső kvantumhatásfoka meghaladja a 10%-ot; és négy teljesítményrekordot állított fel.
Ken-ichi Saitow és munkatársai a Hirosimai Egyetemről (Japán) egy különjelentésben foglalták össze a magas kristályosságú szilícium kvantumpöttyök szintézismódszereit, szerkezeti jellemzőit és fotofizikai tulajdonságait, akár 80%-os kvantumhozammal. A szilícium kvantumpöttyök előnyeinek felvázolása után a figyelem a kolloid szilícium kvantumpöttyök szintetikus útjára, különösen a hidrogén-szilszeszkvioxán polimer módszerre helyeződik át. Ez a módszer kiküszöböli a forró befecskendezési lépés szükségességét, és enyhe szobahőmérsékleten is elvégezhető, elkerülve a gyors prekurzor-befecskendezés és a szigorú üzemeltetési eljárások követelményeit. Ez jelentősen leegyszerűsíti a kísérleti folyamatot és megkönnyíti a nagyméretű termelést. Az ezen a szintetikus úton előállított hidrogén-szilszeszkvioxánból származó anyagok tovább demonstrálják a szilícium kvantumpötty fénykibocsátó diódák rekorderedményeit négy fő teljesítménymutató tekintetében.