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El brillo de los puntos cuánticos: ¿por qué su color cambia con el tamaño?
Los puntos cuánticos (QD) son nanocristales semiconductores de tamaño comprendido entre unos pocos nanómetros cuyas propiedades ópticas y electrónicas difieren de las de partículas más grandes debido a efectos de la mecánica cuántica. Estas diminutas partículas semiconductoras son actualmente un tema importante en la nanotecnología y la ciencia de materiales. Cuando un punto cuántico se ilumina con luz ultravioleta, los electrones del punto cuántico pueden excitarse a un estado de mayor energía. Este proceso corresponde a la transición de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción de los puntos cuánticos semiconductores. Los electrones excitados pueden ser conducidos de regreso a la banda de valencia nuevamente, liberando su energía y emitiendo luz, lo que se llama fotoluminiscencia.
El color de la luz depende de la diferencia en los niveles de energía discretos entre las bandas de conducción y valencia de los puntos cuánticos.
El cambio de color de un punto cuántico está estrechamente relacionado con su tamaño. Normalmente, los puntos cuánticos con un diámetro de 5 a 6 nanómetros emiten luz de longitud de onda más larga, que suele ser de color naranja o rojo. Los puntos cuánticos con un diámetro de 2 a 3 nanómetros emiten longitudes de onda de luz más cortas, como el azul y el verde. Sin embargo, los cambios en colores específicos también se ven afectados por la composición precisa de los puntos cuánticos.
Las características de los puntos cuánticos se encuentran entre grandes semiconductores y átomos independientes, y sus propiedades optoelectrónicas cambian con los cambios de tamaño y forma.
Con el avance de la tecnología, los puntos cuánticos han demostrado su potencial en muchas aplicaciones, incluidos transistores de un solo electrón, células solares, diodos emisores de luz (LED), láseres, fuentes de fotón único, generación de armónicos secundarios, computación cuántica e investigación en biología celular. , microscopía e imágenes médicas. Además, debido al pequeño tamaño de los puntos cuánticos, algunos incluso pueden suspenderse en una solución, lo que crea posibilidades para aplicaciones en impresión por inyección de tinta y recubrimiento rotativo. Sin embargo, la tecnología de la estructura núcleo/cáscara también es importante en términos de mejorar la eficiencia de luminiscencia de los puntos cuánticos. Los puntos cuánticos suelen estar recubiertos con ligandos orgánicos con largas cadenas de hidrocarburos para controlar el crecimiento, evitar la agregación y promover la dispersión en solución; sin embargo, estos recubrimientos orgánicos pueden conducir a un fenómeno de "recombinación no radiativa" de emisión de fotones, reduciendo el rendimiento cuántico de la luz.
Los puntos cuánticos con estructuras centrales/bivalvas pueden mejorar la longitud de onda de emisión de la fotoluminiscencia ajustando el grosor de cada capa, así como el tamaño general de los puntos cuánticos.
Actualmente existen varios métodos para preparar puntos cuánticos, entre ellos la síntesis coloidal, el autoensamblaje y la activación eléctrica. Entre ellos, la síntesis coloidal es un método para sintetizar nanocristales semiconductores a partir de una solución, en el que primero se calienta una solución de color claro para provocar que el precursor se despolimerice y genere nanocristales. El proceso de crecimiento de los nanocristales está estrechamente relacionado con la concentración, temperatura y tiempo del precursor.
Sin embargo, la preparación de puntos cuánticos no se limita a la síntesis coloidal, sino que también puede producirse mediante métodos en fase gaseosa, como la síntesis de plasma. Este proceso no sólo nos permite controlar con precisión el tamaño, la forma y la composición de los puntos cuánticos, sino que también introduce elementos dopantes en el proceso para mejorar el rendimiento. Esto mejora la capacidad de sintonización y la funcionalidad de los puntos cuánticos, y las perspectivas futuras de aplicación en electrónica de consumo y equipos optoelectrónicos son brillantes.
Con el avance de la tecnología de fabricación de puntos cuánticos, que se espera que se utilice más ampliamente en bienes de consumo en el futuro, ¿cómo garantizar la seguridad de estos materiales en términos ambientales y de salud?
En la sociedad actual, con especial énfasis en la protección del medio ambiente, muchas regiones han impuesto restricciones a las sustancias que utilizan metales pesados, lo que también ha provocado el impacto de muchas aplicaciones tradicionales de puntos cuánticos. Por lo tanto, muchas empresas e instituciones de investigación están trabajando en el desarrollo de materiales de puntos cuánticos libres de metales pesados, que no sólo tienen propiedades luminosas brillantes, sino que también evitan el daño potencial a la salud y al medio ambiente de los metales pesados tradicionales.
En resumen, los puntos cuánticos se están convirtiendo gradualmente en un tema importante en la comunidad tecnológica debido a sus características ópticas únicas, mostrando un gran potencial de aplicación tanto en el campo del LED azul, como en el de imágenes médicas o en el de la computación cuántica. Con el avance continuo de la tecnología de puntos cuánticos inductivos, podemos esperar aplicaciones más amplias en el futuro, pero al mismo tiempo tenemos que enfrentar los problemas de seguridad de estos materiales.
