Quantenpunkte, die mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden, könnten auf Ihrem Fernseher zum Einsatz kommen

Am 4. Oktober um etwa 17:45 Uhr Pekinger Zeit beschloss die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften, den Nobelpreis für Chemie 2023 den amerikanischen Wissenschaftlern Moungi G. Bawendi (Massachusetts Institute of Technology) und Louis E. Brus (Columbia University) sowie dem russischen Wissenschaftler Alexei I. Ekimov (NanoCrystal Technologies, Inc.) für ihre Entdeckung und Forschung zu Quantenpunkten zu verleihen.

Das individuelle Preisgeld für den Nobelpreis 2023 beträgt 11 Millionen Schwedische Kronen (ungefähr 7,2258 Millionen RMB), eine Steigerung von 1 Million Schwedische Kronen im Vergleich zum letzten Jahr.

01 Kurze Vorstellung der Gewinner

Moungi G. Bawendi wurde 1961 in Paris, Frankreich, geboren. 1988 schloss er sein Ph.D.-Studium an der University of Chicago in Illinois, USA ab. Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, Massachusetts, USA.

Louis E. Brus wurde 1943 in Cleveland, Ohio, USA geboren. 1969 erhielt er seinen Ph.D. von der Columbia University in New York, USA. Professor an der Columbia University in New York, USA.

Alexei I. Jekimov wurde 1945 in der Sowjetunion geboren. Im Jahr 1974 schloss er sein Studium am Physikalisch-Technischen Joffe-Institut in St. Petersburg, Russland mit einem Ph.D. ab. Er zog 1999 in die Vereinigten Staaten und arbeitete in einem privaten Unternehmen. Er war Chefwissenschaftler bei Nanocrystals Technology Inc. in New York, USA.

02 Was sind Quantenpunkte?

Wenn es um Quantenpunkte geht, kommt einem zweifellos folgendes Bild in den Sinn. Im Dunkeln, unter der Beleuchtung mit ultraviolettem Licht, geben die Lösungen in einer Reihe von Reagenzgläsern ein atemberaubend reines Licht von Blau bis Rot ab. Also, was sind Quantenpunkte? Warum strahlen Quantenpunkte so leuchtende Farben aus?

▲Fluoreszenzfoto von Quantenpunkten (Fotoquelle/TV Common Sense Lecture: Was sind Quantenpunkte?)

Egal ob Stein oder Sandkorn, es besteht aus Atomen oder Molekülen. Ein Sandkorn und ein Steinbrocken unterscheiden sich zwar stark in der Größe, ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften sind jedoch nahezu gleich. Aber wenn die Größe des Materials in den Nanobereich kommt, beginnen sich die Dinge zu ändern. „Quantenpunkte haben viele faszinierende und ungewöhnliche Eigenschaften. Wichtig ist, dass sie je nach Größe unterschiedliche Farben haben“, sagte Johan Åqvist, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie.

Was wir Quantenpunkte nennen, auch bekannt als Halbleiter-Nanokristalle, sind Halbleiterkristallpartikel, die aus Hunderten oder Tausenden von Atomen bestehen und im Allgemeinen weniger als 20 Nanometer groß sind. Halbleitermaterialien sind der Grundstein der Informationsgesellschaft. Sie bestehen im Allgemeinen aus Kristallen mit einer Struktur aus sich wiederholenden Einheiten und ihre Halbleitereigenschaften werden durch die Art der sich wiederholenden Einheiten bestimmt. Da die Größe von Quantenpunkten in den Nanobereich vordringt, ist die Anzahl der sich wiederholenden Einheiten in Halbleiter-Nanokristallen begrenzt, was zu erheblichen Änderungen in der elektronischen Struktur des Materials führt.

Brus, Ekimov und andere beschrieben dieses größenbezogene Phänomen als Quantenbeschränkungseffekt: Die elektronische Struktur von Quantenpunkten ändert sich vom kontinuierlichen Energieband des Hauptmaterials (makroskopischer Kristall) zu diskreten Energieniveaus, und die Bandlücke vergrößert sich allmählich, wenn die Kristallgröße abnimmt. Da die Größe von Quantenpunkten üblicherweise kleiner ist als der Bohr-Radius von Exzitonen (Elektron-Loch-Paaren), werden die durch Lichtanregung erzeugten Exzitonen gleichzeitig fest in jedem Quantenpunkt gebunden, wodurch eine hocheffiziente Strahlungsrekombination erreicht wird. Nehmen wir als Beispiel die Quantenpunkte aus Cadmiumselenid (CdSe), die derzeit am besten untersucht sind: Der Hauptbestandteil von Cadmiumselenid ist schwarzes Pulver und weist normalerweise keine Fluoreszenzwirkung auf. während in Lösung synthetisierte Cadmiumselenid-Quantenpunkte durch Veränderung ihrer Größe mehrere Lichtemissionsfarben von Blau bis Rot erreichen können.

▲Strukturdiagramm sphärischer Quantenpunkte (Quelle: Das 18. CHTF Retech Coating and Quantum Dot Technology Summit Forum)

03 Wie entstehen Quantenpunkte in Kolloiden?

Kolloidale Quantenpunkte werden üblicherweise durch thermische Zersetzung organometallischer Vorläufer bei hohen Temperaturen synthetisiert. Einfach ausgedrückt wird der Anionenvorläufer schnell in eine Hochtemperatur-Reaktionslösung injiziert, die einen kationischen Vorläufer enthält. Daher wird dies auch als Hochtemperatur-Heißinjektionsverfahren bezeichnet. Der Reaktionsmechanismus dieser Synthesemethode besteht darin, dass die Konzentration des Reaktionsvorläufers sofort übersättigt wird und den kritischen Punkt der Keimbildung überschreitet. Anschließend werden schnell monodisperse Kristallkeime erhalten, wodurch der Keimbildungsprozess und der Wachstumsprozess der Quantenpunkte getrennt werden, wodurch eine schnelle Keimbildung und ein langsames Wachstum der Quantenpunkte erreicht werden.

▲ Gerät zur Quantenpunktsynthese (Bildquelle: Today's New Materials)

Die Synthese von Quantenpunkten mit Kern-Schale-Struktur durch Heißinjektion bei hohen Temperaturen kann mit der in Abb. 2 gezeigten Vorrichtung in einem zweistufigen Verfahren erfolgen.

Der erste Schritt besteht darin, Quantenpunkte mit nacktem Kern zu synthetisieren, die dann bei Raumtemperatur wiederholt mit organischen Lösungsmitteln extrahiert und anschließend durch Entfernen des Reaktionslösungsmittels und der Nebenprodukte mittels Hochgeschwindigkeitszentrifugation gereinigt werden. Während der Reinigung können große und kleine Bare-Core-Quantenpunkte durch die Wahl unterschiedlicher Zentrifugalgeschwindigkeiten entfernt werden, sodass nur Bare-Core-Quantenpunkte mittlerer Größe und relativ einheitlicher Partikelgröße übrig bleiben.

Im zweiten Schritt werden die Quantenpunkte mit nacktem Kern in der Reaktionslösung erneut dispergiert, um die Oberflächenschale zu beschichten. Die Fluoreszenzlebensdauer organischer Fluoreszenzfarbstoffe beträgt im Allgemeinen nur wenige Nanosekunden. Die Fluoreszenzlebensdauer von Quantenpunkten mit einer direkten Bandlücke kann mehrere zehn Nanosekunden betragen, während die Fluoreszenzlebensdauer von Quantenpunkten mit einer quasi-direkten Bandlücke, wie etwa Silizium-Quantenpunkten, mehr als 100 Mikrosekunden betragen kann.

Auf diese Weise ist unter Lichtanregung der größte Teil der spontanen Fluoreszenz abgeklungen, während die Fluoreszenz der Quantenpunkte weiterhin vorhanden ist und ein Fluoreszenzsignal ohne Hintergrundstörungen erhalten werden kann.

04 Anwendung von Quantenpunkten

Aufgrund der vielfältigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Quantenpunkten haben sich viele Wissenschaftler für diese Technologie interessiert. Durch unermüdliche Grundlagenforschung sind viele wichtige Spitzentechnologien entstanden.

Beispielsweise machen die effizienten und stabilen Lumineszenzeigenschaften von Quantenpunkten diese zu einem klassischen Typ fluoreszierender Markierungsmaterialien. In den Bereichen der biologischen Detektion und der medizinischen Bildgebung werden sie häufig in der wissenschaftlichen Forschung und der In-vitro-Detektion eingesetzt und fördern die Entwicklung der Bildgebungs- und Detektionstechnologie. Quantenpunkte hingegen zeichnen sich durch eine schmale Emission und eine einstellbare Leuchtfarbe aus, was sie zu einer neuen Generation von Leuchtstoffsystemen im Displaybereich macht.

Gleichzeitig wurden auch bei der Anwendung von Quantenpunkten in Solarzellen, der Infraroterkennung und -bildgebung, der Photokatalyse, Quantenlichtquellen und anderen Bereichen große Fortschritte erzielt. Die repräsentativste Anwendung ist dabei die Kombination der hervorragenden Photolumineszenzleistung von Quantenpunkten mit einer anderen mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Errungenschaft – GaN-basierten Blaulicht-LEDs –, um die farbverstärkte Flüssigkristallanzeigetechnologie mit Quantenpunkten zu realisieren. Bei dieser Technologie können Quantenpunkte die Farbe der LED-Hintergrundbeleuchtung in hochreine rote, grüne und blaue Grundfarben umwandeln und so einen breiten Farbraum erreichen, der über den herkömmlicher LCD- und organischer LED-Displays hinausgeht.

▲TCL Quantum Dot TV (Bildquelle: www.jiaoanw.com)

▲ Schematische Darstellung des Bildgebungsprinzips von Quantenpunktfernsehern (Bildquelle: www.modernart2008.cn)

Neben den derzeit kommerzialisierten Quantenpunkt-Flüssigkristallanzeigen verfügen Quantenpunkte über ein großes Anwendungspotenzial in zukünftigen Display-, Lichtquellentechnologie- und neuen Energiefeldern, wie beispielsweise :

1) Zukünftige Anzeige:

Mit der Entwicklung der Miniaturisierung, Intelligenz und Flexibilität elektronischer Geräte boomt die Zahl intelligenter tragbarer Geräte. Für Virtual-Reality-Anwendungen sind Near-Eye-Displays mit Eigenschaften wie großem Farbumfang, hoher Bildwiederholfrequenz und ultrahoher Auflösung erforderlich. Von der Quantenpunkt-Elektrolumineszenz-Technologie (QLED) wird erwartet, dass sie gleichzeitig über die oben genannten Eigenschaften verfügt.

Mit der rasanten Entwicklung von Quantenpunkten und anderen verwandten Halbleitermaterialien dürften in den nächsten drei bis fünf Jahren QLED-Geräte realisiert werden, die kommerziellen Leistungsstandards entsprechen und in zukünftigen Displays zum Einsatz kommen.

(2) Photovoltaik-Stromerzeugung:

Als anerkannt saubere Energie wird die Solarenergie die dominierende Technologie in der nächsten Generation der Energierevolution sein. Derzeit unternehmen die wissenschaftliche Forschung und die Industrie alle Anstrengungen, um die photoelektrische Umwandlungseffizienz und Zuverlässigkeit von Photovoltaikzellen zu verbessern. Quantenpunktmaterialien, die durch PbS repräsentiert werden, haben aufgrund ihrer Bandlückenabstimmung im Infrarotbereich großes Potenzial in der nächsten Generation lösungsverarbeiteter Solarzellen. Die Kombination von Quantenpunktmaterialien mit anderen lichtempfindlichen Halbleitermaterialien ist ein wichtiger technischer Weg zur Entwicklung einer leistungsstarken Photovoltaiktechnologie.

(3) Anwendung einer Hochleistungslaserlichtquelle:

Die Lasertechnologie ist eine der wichtigsten Technologien in der Entwicklung moderner Optik und findet wichtige Anwendungen in der Weltraumkommunikation, Messtechnik, bei Gyroskopen und im Militär. Die kontinuierliche spektrale Abstimmbarkeit und die hocheffiziente Lumineszenzleistung von Quantenpunkten sind ihre Hauptvorteile, die sie zum Material für die nächste Generation neuer Laser machen.

Gleichzeitig werden die geringeren Synthese- und Herstellungskosten von Quantenpunkten auch die Miniaturisierung und zivile Entwicklung von Lasern aktiv fördern. Sowohl optisch gepumpte Laser auf Quantenpunktbasis als auch elektrisch gepumpte Laser stehen an der Spitze der Forschung auf diesem Gebiet.

(4) Anwendung einer Einzelphotonenlichtquelle:

Angesichts der rasanten Entwicklung der Quanteninformations- und Quantenkommunikationstechnologie sind Einzelphotonenquellen eine der unverzichtbaren Komponenten von Quanteninformationsgeräten. Da Einzelteilchen-Quantenpunkte als ideale Zwei-Niveau-Systeme angenähert werden können, verfügen sie im Bereich der Einzelphotonenquellen über einzigartige Vorteile. Die derzeit ausgereifteste Einzelphotonenquelle sind selbstorganisierte Quantenpunkte, die durch epitaktisches Wachstum und andere Methoden hergestellt werden. Mit der Entwicklung der Technologie zur Herstellung und Verarbeitung von Quantenpunktlösungen wird erwartet, dass in Zukunft kostengünstige, aus Lösungen synthetisierte Quantenpunkte als Einzelphotonenquellen verwendet werden können, um mehrbandige, hocheffiziente und kostengünstige Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen-Arrays herzustellen und so neue Technologien für die Realisierung von Quantencomputern und Quantenkommunikation bereitzustellen.

05 Chinas Stärke in der Quantenpunktforschung

Verglichen mit der internationalen Forschung, die in den 1980er Jahren begann, begann die inländische Forschung auf dem Gebiet der Quantenpunkte etwas später. In den letzten Jahren haben chinesische Wissenschaftler durch unermüdliche Anstrengungen bahnbrechende Ergebnisse in Forschungsbereichen wie der Quantenpunktsynthese, Quantenpunkt-Leuchtdioden (QLEDs), der Quantenpunkt-Virusmarkierung und der Anwendung von Perowskit-Quantenpunkt-Displays erzielt.

Zu den ersten Wissenschaftlern in China, die Quantenpunktforschung betrieben, gehörten Akademiker Li Yadong von der Tsinghua-Universität, Akademiker Li Yongfang vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Akademiker Wu Lizhu vom Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Professor Gao Mingyuan von der Soochow-Universität und Professor Pang Daiwen von der Nankai-Universität. Nach seiner Rückkehr nach China im Jahr 2009 wechselte Professor Peng Xiaogang an die Zhejiang-Universität und widmete sich der Forschung und industriellen Entwicklung der chemischen Regulierung angeregter Zustände von Quantenpunkten. Darüber hinaus inspirierte er eine Gruppe junger Wissenschaftler um ihn herum, sich mit der Forschung im Bereich der Quantenpunkte zu beschäftigen.

Im Jahr 2014 berichteten Professor Peng Xiaogang und Professor Jin Yizhen gemeinsam in Nature über ein rotes QLED-Elektrolumineszenzgerät mit nahezu theoretischer Effizienz, das in diesem Jahr zu den zehn größten wissenschaftlichen Fortschritten in China gewählt wurde. Seitdem haben chinesische Wissenschaftler weiterhin hart an QLED gearbeitet, um die Geräteleistung kontinuierlich zu verbessern. So veröffentlichten beispielsweise die Forschungsgruppen von Jin Yizhen und Huang Fei an der South China University of Technology im Jahr 2022 eine gemeinsame Arbeit, die die Leistung blauer und optischer Geräte auf nahezu industrielles Niveau brachte.

Darüber hinaus waren Professor Zhong Haizheng vom Beijing Institute of Technology und Professor Zeng Haibo von der Nanjing University of Science and Technology die erste Forschergruppe weltweit, die Perowskit-Quantenpunkte entwickelte. Sie haben repräsentative Forschungsarbeiten zu den Photolumineszenz- und Elektrolumineszenzanwendungen von Perowskit-Quantenpunkten durchgeführt. Am zweiten Symposium zur Quantenpunktchemie, -physik und -anwendung der Zhejiang-Universität im Jahr 2021 nahmen mehr als 100 Lehrkräfte und über 500 Studierende an der Konferenz teil. Chinas Forschung zu Quantenpunkten deckt die meisten Forschungsrichtungen ab und hat in einigen Forschungsbereichen eine Situation erreicht, in der es mit dem Weltniveau gleichzieht oder diesem voraus ist.

Gleichzeitig haben sich Unternehmen wie TCL, BOE und Huawei mit Unterstützung des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie auf die Quantenpunkt-Displaytechnologie konzentriert, und die Technologieinnovationsunternehmen Hangzhou Nanocrystal und Zhijing Technology verzeichnen ein kontinuierliches Wachstum.

Zusammengestellt von Reporter Zhang Hongwei

Inhaltsquellen: Beijing Daily, Global Science, öffentlicher WeChat-Account „Wissenschaft und Technologie“, Today's New Materials, Academic Latitude and Longitude