数十年的研究使量子点处于广泛使用的边缘

　　被称为量子点的微小物质可以被调整以发射特定波长的光。这只是使它们在一系列技术应用中具有价值的一种品质。图片来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室
　　《 科学 》杂志上的一篇新文章概述了胶体量子点近三十年来的研究，评估了这些纳米级半导体物质的技术进步，并权衡了这一有前途的技术在广泛商业化道路上的剩余挑战从电视到高效日光收集器的所有应用。
　　＂三十年前，这些结构只是一小群爱好者研究的科学好奇心。多年来，量子点已成为工业级材料，被一系列传统和新兴技术利用，其中一些已经发现他们进入商业市场的方式，＂该论文的合著者、洛斯阿拉莫斯国家实验室进行量子点研究的团队负责人 Victor I. Klimov 说。
　　科学 文章中描述的许多进步都起源于洛斯阿拉莫斯，包括胶体量子点激光的首次演示、载流子倍增的发现、对量子点发光二极管 (LED) 和发光太阳能聚光器的开创性研究，以及最近对单-点量子发射器。
　　使用现代胶体化学，量子点的尺寸和内部结构可以以接近原子的精度进行操纵，从而可以高度准确地控制其物理特性，从而在实际设备中实现行为。
　　许多关于胶体量子点实际应用的持续努力已经利用其发射颜色的尺寸控制可调性和接近理想 100% 极限的高发射量子产率。这些特性对屏幕显示和照明很有吸引力，这些技术将量子点用作颜色转换磷光体。由于其窄带、光谱可调发射，与现有的磷光体材料相比，量子点可提高色纯度并更完整地覆盖整个色彩空间。其中一些设备，例如量子点电视，已经达到技术成熟度，可在商业市场上使用。
　　下一个前沿是创造技术上可行的 LED，由电驱动的量子点供电。在 科学 综述描述来实现这些设备的各种方法，并讨论了存在的挑战。量子 LED 已经达到了令人印象深刻的亮度和接近理论定义极限的近乎理想的效率。这一进展在很大程度上是由于对非辐射俄歇复合等性能限制因素的理解不断取得进展。
　　文章还讨论了可溶液加工的量子点激光器的现状和挑战。
　　＂使这些激光器可用将有利于一系列技术，包括集成光子电路、光通信、芯片实验室平台、可穿戴设备和医疗诊断，＂克里莫夫说。
　　洛斯阿拉莫斯的研究人员在该领域做出了重要进展，包括阐明胶体纳米结构中的光放大机制以及使用这些材料的激光效应的首次演示。
　　＂目前的主要挑战是用电泵来演示激光，＂Klimov 说。＂洛斯阿拉莫斯一直负责实现这一目标的道路上的几个重要里程碑，包括通过电激发实现光增益以及开发作为光泵浦激光器和标准电驱动 LED 运行的双功能设备。＂
　　量子点在太阳能收集和光传感技术中也具有巨大的潜在用途。由于它们的带隙可调，它们可以设计成针对特定波长范围，这对于实现红外光谱范围的廉价光电探测器特别有吸引力。在太阳能技术领域，胶体量子点已被用作太阳能电池和发光日光收集器的活性元素。
　　在光伏 (PV) 的情况下，量子点方法可用于实现通过可扩展的基于溶液的技术（如逐卷加工）制备的新一代廉价薄膜光伏器件。此外，它们可以在概念上实现新的光转换方案，这些方案源自超小＂量子限制＂胶体粒子独有的物理过程。一个这样的过程，载流子倍增，通过一个吸收的光子产生多个电子-空穴对。这一过程由洛斯阿拉莫斯研究人员于 2004 年首次报道，在其在光伏和太阳能光化学中的应用背景下一直是深入研究的主题。
　　＂另一个非常有前途的领域是量子点发光太阳能聚光器或 LSC，＂Klimov 说。＂使用 LSC 方法，原则上可以将标准窗户或壁板转换为发电设备。与屋顶太阳能模块一起，这可以帮助为整个建筑物提供清洁能源。虽然 LSC 概念是在1970 年代，由于引入了特殊设计的量子点，它直到最近才真正蓬勃发展。＂
　　洛斯阿拉莫斯研究人员为 LSC 领域做出了许多重要进展，包括开发解决光自吸收问题的实用方法和开发高效双层（串联）器件。包括实验室分拆公司 UbiQD Inc. 在内的几家初创公司一直在积极寻求量子点 LSC 技术的商业化。
　　更多信息:  F. Pelayo García de Arquer et al, Semiconductor quantum dots: Technological progress and future challenges,   Science  (2021).   DOI: 10.1126/science.aaz8541