Quantum Dots Emit Light 777x520 1 2
Thông tin công nghệ

Nhiều thập kỷ nghiên cứu đưa các chấm lượng tử đến mức sử dụng rộng rãi trong một loạt các ứng dụng công nghệ

Các thông số kỹ thuật nhỏ của vật chất được gọi là chấm lượng tử có thể được điều chỉnh để phát ra ánh sáng ở các bước sóng cụ thể. Đó chỉ là một phẩm chất khiến chúng trở nên có giá trị trong một loạt các ứng dụng công nghệ. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos

Bài báo đánh giá trên Science đề cập đến một loạt các đột phá, bao gồm vai trò của Los Alamos trong những tiến bộ quan trọng.

Một bài báo mới trên tạp chí Science đưa ra cái nhìn tổng quan về gần ba thập kỷ nghiên cứu về các chấm lượng tử dạng keo, đánh giá tiến bộ công nghệ đối với các thông số kỹ thuật có kích thước nanomet của vật chất bán dẫn và cân nhắc những thách thức còn lại trên con đường thương mại hóa rộng rãi cho công nghệ đầy hứa hẹn này với ứng dụng trong mọi thứ, từ TV đến bộ thu ánh sáng mặt trời hiệu quả cao.

“Ba mươi năm trước, những cấu trúc này chỉ là một đối tượng tò mò khoa học được nghiên cứu bởi một nhóm nhỏ những người đam mê. Trong những năm qua, các chấm lượng tử đã trở thành vật liệu cấp công nghiệp được khai thác trong một loạt các công nghệ truyền thống và mới nổi, một số trong số đó đã tìm được đường vào thị trường thương mại, ”Victor I. Klimov, đồng tác giả của bài báo và là lãnh đạo của nhóm thực hiện nghiên cứu chấm lượng tử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos.

Nhiều tiến bộ được mô tả trong bài báo Khoa học bắt nguồn từ Los Alamos, bao gồm trình diễn đầu tiên về lasing chấm lượng tử dạng keo, khám phá ra phép nhân hạt tải điện, nghiên cứu tiên phong về điốt phát sáng chấm lượng tử (LED) và bộ tập trung năng lượng mặt trời phát quang, và các nghiên cứu gần đây về đơn- bộ phát lượng tử chấm.

Sử dụng hóa học keo hiện đại, kích thước và cấu trúc bên trong của các chấm lượng tử có thể được điều khiển với độ chính xác gần nguyên tử, cho phép kiểm soát chính xác cao các đặc tính vật lý của chúng và do đó có các hành vi trong các thiết bị thực tế.

Một số nỗ lực không ngừng về các ứng dụng thực tế của các chấm lượng tử dạng keo đã khai thác khả năng kiểm soát kích thước của màu phát xạ và năng suất lượng tử phát xạ cao gần giới hạn lý tưởng 100 phần trăm. Những đặc tính này rất hấp dẫn đối với màn hình và ánh sáng, những công nghệ mà các chấm lượng tử được sử dụng làm phốt pho chuyển đổi màu sắc. Do khả năng phát xạ quang phổ hẹp, có thể điều chỉnh được, các chấm lượng tử cho phép cải thiện độ tinh khiết của màu sắc và độ bao phủ toàn bộ không gian màu đầy đủ hơn so với các vật liệu phosphor hiện có. Một số thiết bị này, chẳng hạn như TV chấm lượng tử, đã đạt đến độ chín về công nghệ và có sẵn trên các thị trường thương mại.

Biên giới tiếp theo là tạo ra các đèn LED khả thi về mặt công nghệ, được cung cấp bởi các chấm lượng tử điều khiển bằng điện. Đánh giá Khoa học mô tả các cách tiếp cận khác nhau để triển khai các thiết bị này và thảo luận về những thách thức hiện có. Đèn LED lượng tử đã đạt đến độ sáng ấn tượng và hiệu suất gần như lý tưởng gần các giới hạn được xác định về mặt lý thuyết. Phần lớn sự tiến bộ này được thúc đẩy bởi những tiến bộ liên tục trong việc hiểu các yếu tố hạn chế hiệu suất như sự tái tổ hợp Auger không thứ tự.

Bài báo cũng thảo luận về tình trạng và thách thức của laser chấm lượng tử có thể xử lý theo giải pháp.

Klimov nói: “Việc tạo ra những tia laser này sẽ mang lại lợi ích cho một loạt công nghệ, bao gồm mạch quang tử tích hợp, giao tiếp quang học, nền tảng phòng thí nghiệm trên chip, thiết bị đeo được và chẩn đoán y tế.

Các nhà nghiên cứu Los Alamos đã đóng góp những tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực này bao gồm việc làm sáng tỏ các cơ chế khuếch đại ánh sáng trong các cấu trúc nano dạng keo và chứng minh đầu tiên về hiệu ứng lasing bằng cách sử dụng các vật liệu này.

Klimov cho biết: “Thách thức chính hiện nay là chứng minh độ lỏng bằng bơm điện. “Los Alamos đã chịu trách nhiệm về một số cột mốc quan trọng trên con đường đạt được mục tiêu này, bao gồm việc thực hiện độ lợi quang với kích thích điện và phát triển các thiết bị chức năng kép hoạt động như một tia laser được bơm quang học và một đèn LED điều khiển bằng điện tiêu chuẩn.”

Các chấm lượng tử cũng có tiềm năng rất lớn trong công nghệ thu hoạch năng lượng mặt trời và cảm biến ánh sáng. Do dải tần có thể điều chỉnh được, chúng có thể được thiết kế để nhắm mục tiêu một dải bước sóng cụ thể, đặc biệt hấp dẫn để nhận ra các bộ tách sóng quang rẻ tiền cho dải phổ hồng ngoại. Trong lĩnh vực công nghệ năng lượng mặt trời, các chấm lượng tử dạng keo đã được khai thác như các phần tử hoạt động của cả pin mặt trời và bộ thu ánh sáng mặt trời phát quang.

Trong trường hợp quang điện (PV), cách tiếp cận chấm lượng tử có thể được sử dụng để tạo ra một thế hệ thiết bị PV màng mỏng, rẻ tiền được điều chế bằng các kỹ thuật dựa trên giải pháp có thể mở rộng như xử lý từng cuộn. Ngoài ra, chúng có thể kích hoạt các sơ đồ chuyển đổi quang đặc biệt mới bắt nguồn từ các quá trình vật lý duy nhất cho các hạt keo siêu nhỏ “giới hạn lượng tử”. Một trong những quá trình như vậy, nhân hạt tải điện, tạo ra nhiều cặp electron-lỗ trống bởi một photon hấp thụ duy nhất. Quá trình này, được báo cáo lần đầu tiên bởi các nhà nghiên cứu Los Alamos vào năm 2004, là chủ đề được nghiên cứu mạnh mẽ trong bối cảnh các ứng dụng của nó trong cả PV và quang hóa mặt trời.

Klimov cho biết: “Một lĩnh vực có nhiều hứa hẹn khác là bộ tập trung năng lượng mặt trời phát quang chấm lượng tử hoặc LSC”. “Sử dụng phương pháp tiếp cận LSC, về nguyên tắc, người ta có thể chuyển đổi các cửa sổ tiêu chuẩn hoặc vách ngăn tường thành các thiết bị phát điện. Cùng với các mô-đun năng lượng mặt trời trên mái nhà, điều này có thể giúp cung cấp năng lượng sạch cho toàn bộ tòa nhà. Mặc dù khái niệm LSC đã được giới thiệu từ những năm 1970, nhưng nó chỉ thực sự phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây do sự ra đời của các chấm lượng tử được thiết kế đặc biệt ”.

Các nhà nghiên cứu Los Alamos đã đóng góp nhiều tiến bộ quan trọng cho lĩnh vực LSC bao gồm việc phát triển các phương pháp tiếp cận thực tế để giải quyết vấn đề tự hấp thụ ánh sáng và phát triển các thiết bị hai lớp (song song) hiệu quả cao. Một số công ty khởi nghiệp, bao gồm cả một công ty khởi nghiệp của Phòng thí nghiệm, UbiQD Inc., đã tích cực theo đuổi việc thương mại hóa công nghệ LSC chấm lượng tử.

Tham khảo: “Chấm lượng tử bán dẫn: Tiến bộ công nghệ và những thách thức trong tương lai,” của Pelayo García de Arquer, Dmitri V. Talapin, Victor I. Klimov, Yasuhiko Arakawa, Manfred Bayer và Edward H. Sargent, 6 tháng 8 năm 2021, Science .
DOI: 10.1126 / science.aaz8541

Tài trợ: Nghiên cứu và Phát triển do Phòng thí nghiệm Chỉ đạo (LDRD) tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và DOE và Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.