Punti quantici o quantum dots: preparazione, usi

I punti quantici o quantum dots (QDs) sono nanocristalli semiconduttori fluorescenti colloidali con emissione ridotta e un’ampia gamma di bande di assorbimento. Sono formati da strutture costituite da un semiconduttore con una determinata banda proibita di dimensioni comparabili alla lunghezza d’onda di De Broglie all’interno di un altro semiconduttore con banda proibita più grande.

Per la scoperta e la  sintesi dei punti quantici i chimici Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus e il fisico Aleksey Yekimov hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 2023.

Lunghezza d’onda di De Broglie

La lunghezza d’onda di De Broglie è caratteristica del comportamento ondulatorio di una particella che può essere osservato per particelle con massa piccola come elettroni e protoni.

A velocità non relativistiche, la quantità di moto di queste particelle è uguale alla sua massa a riposo m, moltiplicata per la sua velocità v. Pertanto:
λ = h/mv
dove h è la costante di Plank.

Struttura dei punti quantici

I punti quantici sono cristalli artificiali su scala nanometrica che hanno la capacità di convertire uno spettro di luce in diversi colori.

La struttura dei punti quantici comprende un nucleo semiconduttore fatto di metalli pesanti come seleniuro di cadmio CdSe, seleniuro di piombo PbSe o arseniuro di indio InAs e un guscio esterno solfuro di zinco ZnS, solfuro di cadmio CdS

Possono essere presenti solfuro di piombo, tellururo di cadmio e fosfuro di indio

Le loro dimensioni normalmente non superano i 10 nanometri.

Proprietà dei quantum dots

La maggior parte dei punti quantici ha la capacità di emettere luce di specifiche lunghezze d’onda se eccitati dalla luce o dall’elettricità. Le loro caratteristiche elettroniche sono determinate dalla loro dimensione e forma.

Ciò significa che si possono controllare le loro lunghezze d’onda di emissione regolando le loro dimensioni. Tipicamente quelli più piccoli (2~3 nm) emettono lunghezze d’onda più corte generando colori come viola, blu o verde. Mentre i QDs più grandi (5~6 nm) emettono lunghezze d’onda maggiori generando colori come il giallo, l’arancione o il rosso.

Preparazione dei punti quantici

I punti quantici possono essere prodotti tramite diverse tecnologie di fabbricazione distinte e la più diffusa è la sintesi colloidale.

Questo è un metodo di elaborazione della soluzione in cui i precursori si decompongono in una soluzione riscaldata e si nucleano per formare monomeri. Questi si temprano alle alte temperature di lavorazione, culminando nella crescita dei cristalli.

Per qualificarsi come nanoparticelle, questi cristalli non possono avere un diametro superiore a 100 nm. Il mantenimento di uno stretto controllo dei parametri di riscaldamento durante la produzione e la regolazione continua della concentrazione del monomero della soluzione garantiscono una resa ideale dei punti quantici rispetto al volume e alle singole geometrie.

Altre tecniche molto diffuse per la preparazione dei quantum dots sono la tecnica litografica e la tecnica epitassiale.

La tecnica litografica ha un approccio “top-down”, che consiste nel ridurre strutture a grandezze atomiche tramite processi fisici.

La tecnica epitassiale è basata su un procedimento “bottom-up”, che consiste nell’assemblare in modo controllato molecole o aggregati di molecole per costruire strutture a grandezza nanometrica

Usi dei punti quantici o quantum dots

Imaging medico e rilevamento delle malattie

I QDs possono essere impostati su qualsiasi spettro di emissione per consentire l’etichettatura e l’osservazione di processi biologici dettagliati. Inoltre, possono essere utilizzati come uno strumento utile per monitorare le cellule cancerose e fornire un mezzo per comprendere meglio la loro evoluzione.

Celle solari e dispositivi fotovoltaici

I punti quantici hanno il potenziale per aumentare notevolmente l’efficienza della conversione luce solare in energia a causa della loro capacità di generare più di una coppia elettrone-lacuna legata per l’ ingresso del fotone.

Man mano che i punti quantici diventano più piccoli, gli spettri di luce che assorbono passerà al blu, che rappresenta una maggiore energia

Il loro utilizzo consente la realizzazione di celle solari di terza generazione con un’efficienza di circa il 60% nella produzione di elettricità.

TV e display a punti quantici

L’uso più comunemente noto dei punti quantici al giorno d’oggi potrebbe essere quello degli schermi TV. Samsung e LG hanno lanciato i loro televisori QLED nel 2015 e poche altre società sono seguite non molto tempo dopo.

I punti quantici, poiché sono sia fotoluminescenti che elettroluminescenti, per le loro proprietà fisiche saranno al centro dei display di prossima generazione. Rispetto ai materiali luminescenti organici utilizzati nei diodi organici a emissione di luce, i materiali basati su QDs hanno colori più puri, durata maggiore, costi di produzione inferiori e consumo energetico inferiore. Un altro vantaggio chiave è che, poiché i QD possono essere depositati praticamente su qualsiasi substrato, puoi aspettarti display a punti quantici stampabili e flessibili, anche arrotolabili, di tutte le dimensioni.

Dispositivi fotorilevatori

I punti quantici elaborati in soluzione possono essere facilmente integrati con una varietà quasi infinita di substrati. Hanno quindi potenziali applicazioni nella sorveglianza, nella visione artificiale, nell’ispezione industriale, nella spettroscopia e nell’imaging biomedico fluorescente.

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