Der Nobelpreis für Chemie 2023 wurde für die Entdeckung und Entwicklung von Quantenpunkten verliehen. Das Nobelkomitee erklärte: „Quantenpunkte bringen der Menschheit größten Nutzen, und die Erforschung ihres Potenzials hat gerade erst begonnen.“ Diese Auszeichnung ist nicht nur die höchste Anerkennung der Quantenpunktforschung, sondern unterstreicht auch ihr enormes Potenzial in Bereichen wie Displaybeleuchtung, Energiekatalyse, Biomedizin und Quantentechnologie. Dieser Sonderbericht konzentriert sich auf Silizium-Quantenpunkte, insbesondere auf lösungsmitteldispergierte Systeme, und stellt systematisch die Forschungsfortschritte bei Synthesemethoden, Struktur- und optischen Eigenschaften sowie deren Anwendung in lösungsmittelbasierten Leuchtdioden (LEDs) vor.
Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanokristalle mit Abmessungen von nur wenigen Nanometern. Kolloidale Quantenpunkte weisen mehrere einzigartige Vorteile auf: Durch Prozesse außerhalb des Vakuums lässt sich eine größenabhängige Vollfarbenemission erzielen; ihre Photolumineszenz-Quantenausbeute kann nahezu 100 % erreichen; sie besitzen eine schmale Emissionsbandbreite von 20–40 nm mit einem Farbraum, der drei- bis viermal so groß ist wie der von organischen Leuchtdioden (OLEDs); und sie können bei Raumtemperatur mittels Niedertemperatur-Lösungsverfahren hergestellt werden. Dank dieser Eigenschaften konnten Kern-Schale-Strukturen mit gezielter Steuerung der Bandlücke realisiert und kommerzielle Produkte wie Quantenpunkt-Fernseher erfolgreich entwickelt werden. Zukünftig werden Quantenpunkte voraussichtlich eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Miniatur-LEDs, mikrometergroßen LEDs und Quantenpunkt-LED-Technologien spielen und die Entwicklung von Technologien der nächsten Generation für die nutzerzentrierte Optoelektronik, wie beispielsweise dehnbare tragbare Geräte, vorantreiben. Angetrieben von dieser technologischen Welle wird der globale Markt für Quantenpunkte voraussichtlich weiterhin mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,47 % expandieren.
Die breite Anwendung der Quantenpunkt-Technologie steht jedoch weiterhin vor drei großen Herausforderungen: Erstens ist die Verfügbarkeit von Rohstoffen schwierig und birgt Sicherheitsrisiken. Kommerziell erhältliche Quantenpunkte basieren derzeit größtenteils auf Schwermetallen wie dem seltenen Metall Indium und den giftigen Metallen Cadmium und Blei. Im Gegensatz dazu sind kolloidale Silizium-Quantenpunkte und ihre Nanomaterialien von Natur aus frei von Schwermetallen und Halogenen und bieten somit eine ideale Alternative für nachhaltige Displays der nächsten Generation, Festkörperbeleuchtung, biomedizinische Bildgebung und sogar hochmoderne Quantenfelder. Zweitens muss die Effizienz von Quantenpunkten dringend verbessert werden. Obwohl cadmiumbasierte und Perowskit-Quantenpunkte eine Quantenausbeute von nahezu 100 % erreichen, hinken schwermetallfreie Systeme aufgrund von Oberflächendefekten und unvollständiger Passivierung lange hinterher. Erfreulicherweise konnte die Quantenausbeute von Silizium-Quantenpunkten in jüngster Zeit auf über 70 % gesteigert werden. Drittens bedürfen die bestehenden Synthesemethoden dringend einer Vereinfachung. Das weit verbreitete Heißinjektionsverfahren erfordert die schnelle Injektion des Vorläufers in ein Hochtemperaturlösungsmittel, um die Nukleation auszulösen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Temperaturkontrolle, die Schutzgasatmosphäre und die Spezialausrüstung und führt zu hohen Kosten bei der Massenproduktion. Darüber hinaus gibt es derzeit weder einen geeigneten Vorläufer noch ein geeignetes Lösungsmittel, mit dem sich Silizium-Quantenpunkte mit hoher Kristallinität und gleichzeitig exzellenten optischen Eigenschaften mittels Heißinjektion synthetisieren lassen.
In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat das Forschungsteam systematisch mehrere Meilensteine in der Silizium-Quantenpunktforschung erreicht: Erzielung von Dreifarbenemission und kontinuierlicher Weißlichtemission; Entwicklung der ersten himmelblau emittierenden Silizium-Quantenpunktdiode; Entwicklung eines kostengünstigen Syntheseverfahrens, das die Produktionskosten um Hunderte bis Tausende Male reduziert; Herstellung nachhaltiger Silizium-Quantenpunktdioden aus Reishülsen; Gewinnung von Silizium-Quantenpunkten mit einer Quantenausbeute von ca. 80 % und wohldefinierter Kristallinität; Herstellung langlebiger roter, grüner und blauer Dreifarben-Dünnschichten; Erzielung von Leuchtdioden mit einer externen Quanteneffizienz von über 10 %; und Aufstellung von vier Leistungsrekorden.
Ken-ichi Saitow et al. von der Universität Hiroshima, Japan, fassten in einem Sonderbericht die Synthesemethoden, Strukturmerkmale und photophysikalischen Eigenschaften hochkristalliner Silizium-Quantenpunkte mit einer Quantenausbeute von bis zu 80 % zusammen. Nach der Erläuterung der Vorteile von Silizium-Quantenpunkten liegt der Fokus auf der Synthese kolloidaler Silizium-Quantenpunkte, insbesondere auf der Wasserstoff-Silsesquioxan-Polymer-Methode. Diese Methode macht einen Heißinjektionsschritt überflüssig und kann unter milden Raumtemperaturbedingungen durchgeführt werden, wodurch die Anforderungen an eine schnelle Vorläuferinjektion und strenge Verfahrensanweisungen entfallen. Dies vereinfacht den experimentellen Prozess erheblich und ermöglicht die Produktion im großen Maßstab. Auf Basis dieser Syntheseroute hergestellte Wasserstoff-Silsesquioxan-basierte Materialien demonstrieren zudem die Rekordleistungen von Silizium-Quantenpunkt-Leuchtdioden hinsichtlich vier wichtiger Leistungsindikatoren.