Quantum Dots di Grafene: Introduzione e Novità di Mercato

I quantum dots (QD), o punti quantici, sono nanoparticelle o nanocristalli semiconduttori, generalmente di dimensioni comprese tra 2 e 10 nanometri (10-50 atomi). Le loro piccole dimensioni e l'elevato rapporto superficie/volume influenzano le loro proprietà ottiche ed elettroniche e li rendono diversi da particelle più grandi composte dagli stessi materiali.

I quantum dots confinano il movimento degli elettroni della banda di conduzione, delle lacune della banda di valenza o degli eccitoni (coppie legate di elettroni della banda di conduzione e lacune della banda di valenza) in tutte e tre le direzioni spaziali. I quantum dots sono anche talvolta chiamati "atomi artificiali", un termine che sottolinea il fatto che sono un singolo oggetto con stati elettronici legati e discreti, analogamente agli atomi o alle molecole presenti in natura.

Molti tipi di quantum dot sono fluorescenti: emettono luce di frequenze specifiche se vengono applicate elettricità o luce. Queste frequenze possono essere regolate modificando le dimensioni, la forma e il materiale dei punti, aprendo la strada a diverse applicazioni. In generale, i punti più piccoli appaiono blu mentre quelli più grandi tendono ad essere più rossi. I colori specifici variano anche a seconda della composizione esatta del QD.

Applicazioni

Grazie alle loro proprietà altamente regolabili, i QD stanno attirando l'interesse di vari sviluppatori di applicazioni e ricercatori. Tra queste potenziali applicazioni vi sono display, transistor, celle solari, laser a diodo, quantum computing e imaging medico. Inoltre, le loro piccole dimensioni consentono ai QD di essere sospesi in soluzione, il che porta a possibili utilizzi nella stampa a getto d'inchiostro e nella spin-coating.

Queste tecniche di lavorazione possono portare a metodi di fabbricazione di semiconduttori meno costosi e meno dispendiosi in termini di tempo.

I quantum dots sono considerati particolarmente adatti per applicazioni ottiche, grazie alla loro capacità di emettere diversi colori, unita alle loro elevate efficienze, alle durate di vita più lunghe e all'elevato coefficiente di estinzione. Le loro piccole dimensioni significano anche che gli elettroni non devono viaggiare tanto quanto con particelle più grandi, quindi i dispositivi elettronici possono funzionare più velocemente.

Esempi di applicazioni che sfruttano queste proprietà elettroniche includono transistor, celle solari, quantum computing e altro ancora. I QD possono migliorare notevolmente gli schermi LED, offrendo loro una maggiore luminosità di picco, una migliore precisione del colore, una maggiore saturazione del colore e altro ancora. I QD sono anche molto interessanti per l'uso in applicazioni biomediche, poiché le loro piccole dimensioni consentono loro di viaggiare nel corpo, rendendoli adatti ad applicazioni come l'imaging medico, i biosensori, ecc.

Quantum Dots di Grafene

Il termine "quantum dots di grafene" (GQD) è solitamente usato per descrivere frammenti minuscoli, di dimensioni limitate, o domini, da uno a decine di strati di grafene. I GQD spesso possiedono proprietà come bassa tossicità, fotoluminescenza stabile, stabilità chimica e un pronunciato effetto di confinamento quantistico, che li rendono attraenti per applicazioni biologiche, optoelettroniche, energetiche e ambientali. La sintesi di strutture quantistiche di grafene, come i quantum dots di grafene, è diventata un argomento popolare negli ultimi anni. Mentre il grafene di solito non ha un bandgap - il che è un problema per molte applicazioni - i quantum dots di grafene lo contengono a causa del confinamento quantistico e degli effetti di bordo.

Tale bandgap modifica il comportamento dei portatori di carica del grafene e può portare a diverse applicazioni nell'optoelettronica. È stato anche scoperto che i GQD hanno quattro stati quantistici a un dato livello di energia, a differenza dei quantum dots semiconduttori, che ne hanno solo due. Questi stati quantistici aggiuntivi, secondo i ricercatori, potrebbero rendere i GQD utili per il quantum computing.

Ulteriori proprietà dei GQD, come l'elevata trasparenza e l'ampia superficie, sono state proposte per applicazioni energetiche e di display. A causa della grande superficie, elettrodi che utilizzano GQD vengono applicati per condensatori e batterie. Sono state sviluppate varie tecniche per produrre GQD. I metodi top-down includono metodi chimici in soluzione, a microonde e ultrasonici. I metodi bottom-up includono metodi idrotermali ed elettrochimici.