El Premio Nobel de Química 2023 se otorgó por el descubrimiento y desarrollo de los puntos cuánticos. El Comité del Nobel declaró: «Los puntos cuánticos están aportando enormes beneficios a la humanidad, y nuestra exploración de su potencial apenas comienza». Este premio no solo representa el máximo reconocimiento a la investigación sobre puntos cuánticos, sino que también destaca su enorme potencial en campos como la iluminación de pantallas, la catálisis energética, la biomedicina y la tecnología cuántica. Este informe especial se centra en los puntos cuánticos de silicio, en particular en los sistemas dispersos en disolventes, y presenta sistemáticamente los avances en investigación sobre métodos de síntesis, propiedades estructurales y ópticas, así como su aplicación en diodos emisores de luz (LED) procesados en solución.
Los puntos cuánticos son nanocristales semiconductores con dimensiones de tan solo unos pocos nanómetros. Los puntos cuánticos coloidales poseen varias ventajas únicas: pueden lograr una emisión a todo color con tamaño ajustable mediante procesos sin vacío; su rendimiento cuántico de fotoluminiscencia puede acercarse al 100 %; tienen un ancho de banda de emisión estrecho de 20-40 nm, con una gama de colores tres o cuatro veces superior a la de los diodos orgánicos emisores de luz; y pueden prepararse a temperatura ambiente mediante métodos de solución a baja temperatura. Gracias a estas características, se han logrado estructuras de núcleo-capa con control de ingeniería de banda prohibida estrecha, y se han desarrollado con éxito productos comerciales como televisores de puntos cuánticos. De cara al futuro, se espera que los puntos cuánticos desempeñen un papel fundamental en el desarrollo de LED miniatura, LED de tamaño micrométrico y tecnologías de LED de puntos cuánticos, e impulsen el desarrollo de tecnologías de última generación para la optoelectrónica centrada en el ser humano, como los dispositivos portátiles extensibles. Impulsado por esta ola tecnológica, se proyecta que el mercado global de puntos cuánticos continuará expandiéndose a una tasa de crecimiento anual compuesta (TCAC) del 9,47 %.
Sin embargo, la aplicación generalizada de la tecnología de puntos cuánticos aún enfrenta tres desafíos principales: Primero, la disponibilidad de materias primas es difícil y puede presentar riesgos de seguridad. Actualmente, los puntos cuánticos disponibles comercialmente se basan principalmente en materiales de metales pesados, como el metal raro indio y los metales tóxicos cadmio y plomo. Por el contrario, los puntos cuánticos de silicio coloidal y sus nanomateriales están inherentemente libres de metales pesados y halógenos, lo que proporciona una alternativa ideal para pantallas sostenibles de próxima generación, iluminación de estado sólido, imágenes biomédicas e incluso campos cuánticos de vanguardia. Segundo, el cuello de botella de eficiencia de los puntos cuánticos necesita ser superado urgentemente. Si bien los puntos cuánticos basados en cadmio y perovskita han alcanzado un rendimiento cuántico cercano al 100%, los sistemas libres de metales pesados se han quedado atrás durante mucho tiempo debido a defectos superficiales y pasivación incompleta. Es alentador que investigaciones recientes hayan aumentado el rendimiento cuántico de los puntos cuánticos de silicio a más del 70%. Tercero, los métodos de síntesis existentes necesitan urgentemente simplificarse. El método de inyección en caliente, ampliamente utilizado, requiere la inyección rápida del precursor en un disolvente a alta temperatura para activar la nucleación, lo que exige un control de temperatura riguroso, una atmósfera inerte y equipos especializados, lo que resulta en altos costos para la producción a gran escala. Más importante aún, actualmente no existe un precursor ni un disolvente adecuados que permitan sintetizar puntos cuánticos de silicio con alta cristalinidad y excelentes propiedades ópticas mediante el método de inyección en caliente.
En las últimas dos décadas, el equipo de investigación ha avanzado sistemáticamente en varios hitos en la investigación de puntos cuánticos de silicio: lograr emisión tricolor y emisión continua de luz blanca; desarrollar el primer diodo de punto cuántico de silicio que emite azul cielo; desarrollar una ruta de síntesis de bajo costo que reduce los costos de producción de cientos a miles de veces; preparar diodos de puntos cuánticos de silicio sostenibles utilizando cáscaras de arroz; obtener puntos cuánticos de silicio con un rendimiento cuántico de aproximadamente el 80% y una cristalinidad bien definida; fabricar películas delgadas tricolores duraderas de color rojo, verde y azul; lograr dispositivos de diodos emisores de luz con una eficiencia cuántica externa superior al 10%; y establecer cuatro récords de rendimiento.
Ken-ichi Saitow et al., de la Universidad de Hiroshima (Japón), resumieron en un informe especial los métodos de síntesis, las características estructurales y las propiedades fotofísicas de los puntos cuánticos de silicio altamente cristalino con un rendimiento cuántico de hasta el 80 %. Tras describir las ventajas de los puntos cuánticos de silicio, el enfoque se centra en la vía sintética de los puntos cuánticos de silicio coloidal, en particular el método del polímero de silsesquioxano de hidrógeno. Este método elimina la necesidad de una etapa de inyección en caliente y puede llevarse a cabo a temperatura ambiente moderada, evitando los requisitos de la inyección rápida de precursores y los rigurosos procedimientos operativos. Esto simplifica significativamente el proceso experimental y facilita la producción a gran escala. Los materiales derivados del silsesquioxano de hidrógeno, preparados mediante esta vía sintética, demuestran aún más los logros récord en diodos emisores de luz de puntos cuánticos de silicio en cuatro indicadores clave de rendimiento.