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La brillantezza dei punti quantici: perché il loro colore cambia con le dimensioni?
I punti quantici (QD) sono nanocristalli semiconduttori di dimensioni comprese tra pochi nanometri, le cui proprietà ottiche ed elettroniche differiscono da quelle delle particelle più grandi a causa di effetti meccanici quantistici. Queste minuscole particelle semiconduttrici rappresentano attualmente un argomento importante nel campo della nanotecnologia e della scienza dei materiali. Quando un punto quantico viene illuminato da luce ultravioletta, gli elettroni al suo interno possono essere eccitati portandoli a uno stato energetico più elevato. Questo processo corrisponde alla transizione degli elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione nei punti quantici semiconduttori. Gli elettroni eccitati possono essere riportati nella banda di valenza, rilasciando la loro energia ed emettendo luce, fenomeno chiamato fotoluminescenza.
Il colore della luce dipende dalla differenza nei livelli energetici discreti tra le bande di conduzione e di valenza dei punti quantici.
Il cambiamento di colore di un punto quantico è strettamente correlato alle sue dimensioni. In genere, i punti quantici con un diametro compreso tra 5 e 6 nanometri emettono luce con lunghezza d'onda maggiore, solitamente di colore arancione o rosso. I punti quantici con un diametro da 2 a 3 nanometri emettono lunghezze d'onda di luce più corte, come il blu e il verde. Tuttavia, i cambiamenti nei colori specifici sono influenzati anche dalla composizione precisa dei punti quantici.
Le caratteristiche dei punti quantici sono intermedie tra i grandi semiconduttori e gli atomi indipendenti e le loro proprietà optoelettroniche cambiano al variare delle dimensioni e della forma.
Con il progresso della tecnologia, i punti quantici hanno dimostrato il loro potenziale in numerose applicazioni, tra cui transistor a singolo elettrone, celle solari, diodi a emissione di luce (LED), laser, sorgenti a singolo fotone, generazione di armoniche secondarie, calcolo quantistico, ricerca sulla biologia cellulare , microscopia e imaging medico. Inoltre, grazie alle dimensioni ridotte dei punti quantici, alcuni possono addirittura essere sospesi in soluzione, il che apre le porte a potenziali applicazioni nella stampa a getto d'inchiostro e nella verniciatura rotativa. Tuttavia, anche la tecnologia della struttura nucleo/guscio è importante per migliorare l'efficienza di luminescenza dei punti quantici. I punti quantici sono spesso rivestiti con ligandi organici con lunghe catene di idrocarburi per controllare la crescita, evitare l'aggregazione e promuovere la dispersione in soluzione, tuttavia questi rivestimenti organici possono portare a un fenomeno di "ricombinazione non radiativa" dell'emissione di fotoni, riducendo la resa quantica della luce.
I punti quantici con strutture a nucleo/bivalve possono migliorare la lunghezza d'onda di emissione della fotoluminescenza regolando lo spessore di ogni strato e la dimensione complessiva dei punti quantici.
Attualmente esistono vari metodi per preparare i punti quantici, tra cui la sintesi colloidale, l'autoassemblaggio e il gating elettrico. Tra queste, la sintesi colloidale è un metodo per sintetizzare nanocristalli semiconduttori da una soluzione, in cui una soluzione di colore chiaro viene prima riscaldata per indurre il precursore a depolimerizzare e generare nanocristalli. Il processo di crescita dei nanocristalli è strettamente correlato alla concentrazione, alla temperatura e al tempo del precursore.
Tuttavia, la preparazione dei punti quantici non si limita alla sintesi colloidale, ma può essere ottenuta anche mediante metodi in fase gassosa, come la sintesi al plasma. Questo processo non solo ci consente di controllare con precisione le dimensioni, la forma e la composizione dei punti quantici, ma introduce anche elementi droganti nel processo per migliorarne le prestazioni. Ciò migliora la sintonizzabilità e la funzionalità dei punti quantici e le prospettive di applicazione futura nell'elettronica di consumo e nelle apparecchiature optoelettroniche sono rosee.
Con l'avanzamento della tecnologia di produzione dei punti quantici, che si prevede troverà un impiego sempre più diffuso nei beni di consumo in futuro, come possiamo garantire la sicurezza di questi materiali in termini di ambiente e salute?
Nella società odierna, con l'enfasi posta sulla tutela dell'ambiente, molte regioni hanno imposto restrizioni sulle sostanze che contengono metalli pesanti, il che ha avuto ripercussioni anche su molte applicazioni tradizionali dei punti quantici. Per questo motivo, molte aziende e istituti di ricerca stanno lavorando allo sviluppo di materiali a punti quantici privi di metalli pesanti, che non solo presentano proprietà luminose brillanti, ma evitano anche i potenziali danni alla salute e all'ambiente causati dai metalli pesanti tradizionali.
In breve, i punti quantici stanno gradualmente diventando un argomento importante nella comunità tecnologica grazie alle loro caratteristiche ottiche uniche, dimostrando un grande potenziale applicativo nei campi dei LED blu, dell'imaging medico o dell'informatica quantistica. Con il continuo progresso della tecnologia dei punti quantici induttivi, possiamo aspettarci applicazioni più ampie in futuro, ma allo stesso tempo dobbiamo affrontare i problemi di sicurezza di questi materiali. Siamo pronti ad affrontare questa sfida?
