จุดควอนตัม ( QDs ) หรือผลึกนาโนเซมิคอนดักเตอร์คือ อนุภาค เซมิคอนดักเตอร์ขนาดไม่กี่นาโนเมตร ที่มีคุณสมบัติ ทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์แตกต่างจากอนุภาคขนาดใหญ่กว่าเนื่องจากผลกระทบทางกลศาสตร์ค วอนตัม พวกมันเป็นหัวข้อสำคัญในนาโนเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์วัสดุเมื่อจุดควอนตัมได้รับแสงยูวีอิเล็กตรอนในจุดควอนตัมสามารถถูกกระตุ้นให้มีพลังงานสูงขึ้นได้ ในกรณีของ จุดควอนตัม เซมิคอนดักเตอร์กระบวนการนี้สอดคล้องกับการเปลี่ยนสถานะของอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นสามารถกลับลงไปในแถบวาเลนซ์ได้โดยปล่อยพลังงานออกมาเป็นแสง การปล่อยแสงนี้ ( โฟโตลูมิเนสเซนซ์ ) แสดงอยู่ในรูปด้านขวา สีของแสงนั้นขึ้นอยู่กับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องของจุดควอนตัมในแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์

กล่าวอีกนัยหนึ่ง จุดควอนตัมสามารถนิยามได้ว่าเป็นโครงสร้างบนสารกึ่งตัวนำที่สามารถกักอิเล็กตรอนไว้ในสามมิติ ทำให้สามารถกำหนดระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องได้ จุดควอนตัมเป็นผลึกขนาดเล็กที่สามารถทำตัวเหมือนอะตอมแต่ละตัวได้ และคุณสมบัติของพวกมันสามารถถูกควบคุมได้^{[ 1 ]}

วัสดุระดับนาโนที่มีคุณสมบัติของสารกึ่งตัวนำจะกักขังอิเล็กตรอนหรือโฮลอิเล็กตรอน ไว้อย่างแน่นหนา การกักขังนี้คล้ายกับอนุภาคสามมิติในแบบจำลองกล่อง คุณสมบัติการดูดกลืนและการปล่อยแสงของควอนตัมดอตสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานที่อนุญาตตามกลศาสตร์ควอนตัมแบบ ไม่ต่อเนื่อง ในกล่อง ซึ่งชวนให้นึกถึงสเปกตรัมของอะตอม ด้วยเหตุผลเหล่านี้ บางครั้งควอนตัมดอตจึงถูกเรียกว่า^{อะตอม}เทียม [ ^{2 ]}โดยเน้นสถานะอิเล็กตรอนที่ถูกผูกมัดและไม่ต่อเนื่อง เช่นเดียวกับ อะตอมหรือโมเลกุลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ^{[ 3 ] [ 4 ]}แสดงให้เห็นว่าฟังก์ชันคลื่น อิเล็กตรอน ในควอนตัมดอตคล้ายกับฟังก์ชันคลื่นในอะตอมจริง^{[ 5 ]}

จุดควอนตัมมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างสารกึ่งตัวนำขนาดใหญ่และอะตอมหรือโมเลกุลแบบแยกส่วนคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ ของพวกมันเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดและรูปร่าง ^{[ 6 ] [ 7 ]}จุดควอนตัมขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5–6 นาโนเมตรจะปล่อยคลื่นแสง ที่มีความยาวคลื่นยาวกว่า โดยมีสีต่างๆ เช่น สีส้มหรือสีแดง จุดควอนตัมขนาดเล็ก (2–3 นาโนเมตร) จะปล่อยคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่า ทำให้ได้สีต่างๆ เช่น สีน้ำเงินและสีเขียว^{[ 8 ]} พลังงานการปล่อยแสง จำเพาะของจุดควอนตัม ขึ้น อยู่กับมิติพลังงานช่องว่างแถบมวลอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นอย่างมีประสิทธิภาพ และมวลโฮลที่ถูกกระตุ้นอย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 9 ]}

การประยุกต์ใช้ควอนตัมดอทที่เป็นไปได้ ได้แก่ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยว เซลล์แสงอาทิตย์ LED เลเซอร์ [ 10 ] [ 11 ^{] [ 12 ]แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว} [ 13 ^{] [ 14 ] [ 15 ] การ} สร้างฮาร์มอ นิ^กที่สองการคำนวณควอนตัม^{[ 16 ]}การวิจัยชีววิทยาของเซลล์^{[ 17 ]}กล้องจุลทรรศน์ [ ^{18 ]}และการถ่ายภาพทางการแพทย์^{[ 19 ]}ขนาดที่เล็กของควอนตัมดอททำให้สามารถแขวนลอยควอนตัมดอทบางส่วนในสารละลายได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การใช้งานใน การ ^{พิมพ์}อิงค์เจ็ทและ การ เคลือบแบบหมุน^{[ 20 ]}พวกมันถูกนำมาใช้ในฟิล์มบาง Langmuir–Blodgett [ ^{21 ] [ 22 ] [ 23 ] เทคนิค} การประมวลผลเหล่านี้ส่งผลให้วิธี การ ผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีราคาถูกลงและใช้เวลาน้อยลง

โดยทั่วไปควอนตัมดอทจะถูกเคลือบด้วยลิแกนด์อินทรีย์ (โดยทั่วไปจะมีโซ่ไฮโดรคาร์บอนยาว เช่น กรดโอเลอิก) เพื่อควบคุมการเจริญเติบโต ป้องกันการรวมตัว และส่งเสริมการกระจายตัวในสารละลาย^{[ 24 ]}อย่างไรก็ตาม การเคลือบอินทรีย์เหล่านี้อาจนำไปสู่การรวมตัวกันแบบไม่แผ่รังสีหลังจากการสร้างโฟตอน ซึ่งหมายความว่าตัวพาประจุที่เกิดขึ้นสามารถสลายไปได้โดยไม่ต้องปล่อยโฟตอน (เช่น ผ่านโฟนอนหรือการดักจับในสถานะข้อบกพร่อง) ซึ่งจะลดผลผลิตควอนตัมของการเรืองแสง หรือประสิทธิภาพการแปลงโฟตอนที่ถูกดูดซับให้เป็นการเรืองแสงที่ปล่อยออกมา^{[ 25 ]}เพื่อแก้ไขปัญหานี้ สามารถสร้างชั้นเซมิคอนดักเตอร์ล้อมรอบแกนควอนตัมดอทได้ คุณสมบัติการเรืองแสงของนาโนคริสตัลสามารถปรับแต่งได้ขึ้นอยู่กับช่องว่างพลังงานของวัสดุแกนและเปลือก นอกจากนี้ การปรับความหนาของแต่ละชั้นและขนาดโดยรวมของควอนตัมดอตสามารถส่งผลต่อ ความยาวคลื่นการปล่อยโฟโต ลูมิเนสเซนต์ได้ — ผลของควอนตัมคอนไฟน์เมนต์ มีแนวโน้ม ที่จะทำให้สเปกตรัมการปล่อยแสงเลื่อนไปทางสีน้ำเงินเมื่อขนาดของควอนตัมดอตลดลง^{[ 26 ]} โครงสร้างเฮเทอโรของควอนตัมดอตมี 4 ประเภทหลัก ได้แก่ ประเภท I, ประเภท I แบบผกผัน, ประเภท II และประเภท II แบบผกผัน^{[ 27 ]}

Type I quantum dots are composed of a semiconductor core encapsulated in a second semiconductor material with a larger bandgap, which can passivate non-radiative recombination sites at the surface of the quantum dots and improve quantum yield. Inverse type I quantum dots have a semiconductor layer with a smaller bandgap which leads to delocalized charge carriers in the shell. For type II and inverse type II dots, either the conduction or valence band of the core is located within the bandgap of the shell, which can lead to spatial separation of charge carriers in the core and shell.^[27] For all of these core/shell systems, the deposition of the outer layer can lead to potential lattice mismatch, which can limit the ability to grow a thick shell without reducing photoluminescent performance.

One such reason for the decrease in performance can be attributed to the physical strain being put on the lattice. In a case where ZnSe/ZnS (type I) and ZnSe/CdS (type II) quantum dots were being compared, the diameter of the uncoated ZnSe core (obtained using TEM) was compared to the capped core diameter (calculated via effective mass approximation model) [lattice strain source] to better understand the effect of core-shell strain.^[28] Type I heterostructures were found to induce compressive strain and "squeeze" the core, while the type II heterostructures had the effect of stretching the core under tensile strain.^[28] Because the fluorescent properties of quantum dots are dictated by nanocrystal size, induced changes in core dimensions can lead to shifting of emission wavelength, further proving why an intermediate semiconductor layer is necessary to rectify lattice mismatch and improve quantum yield.^[29]

One such core/double-shell system is the CdSe/ZnSe/ZnS nanocrystal.^[29] In a study comparing CdSe/ZnS and CdSe/ZnSe nanocrystals, the former was found to have PL yield 84% of the latter's, due to a lattice mismatch. To study the double-shell system, after synthesis of the core CdSe nanocrystals, a layer of ZnSe was coated prior to the ZnS outer shell, leading to an improvement in fluorescent efficiency by 70%. Furthermore, the two additional layers were found to improve resistance of the nanocrystals against photo-oxidation, which can contribute to degradation of the emission spectra.

นอกจากนี้ เทคนิค การเคลือบผิวก็เป็นเรื่องปกติที่จะนำมาใช้กับระบบแกน/เปลือกสองชั้นเหล่านี้เช่นกัน ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นกรดโอเลอิกเป็นลิแกนด์อินทรีย์ชนิดหนึ่งที่ใช้เพื่อส่งเสริม เสถียรภาพ ของคอลลอยด์และควบคุมการเติบโตของนาโนคริสตัล และยังสามารถใช้เพื่อเริ่มต้นการแลกเปลี่ยนลิแกนด์และการทำงานของพื้นผิวรอบที่สองได้อีกด้วย^{[ 24 ] [ 30 ]}อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผลเสียของลิแกนด์อินทรีย์ที่มีต่อประสิทธิภาพ PL จึงมีการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อให้ได้ควอนตัมดอทที่เป็นอนินทรีย์ทั้งหมด ในการศึกษาหนึ่ง นาโนคริสตัลอนินทรีย์ทั้งหมดที่เรืองแสงอย่างเข้มข้น (ILANs) ได้รับการสังเคราะห์ผ่านกระบวนการแลกเปลี่ยนลิแกนด์ซึ่งแทนที่เกลือโลหะด้วยลิแกนด์กรดโอเลอิก และพบว่ามีผลผลิตควอนตัมการเรืองแสงที่เทียบได้กับควอนตัมดอทที่ปล่อยแสงสีแดงและสีเขียวที่มีอยู่^{[ 24 ]}

มีหลายวิธีในการสร้างควอนตัมดอต วิธีที่เป็นไปได้ ได้แก่ การสังเคราะห์แบบคอลลอยด์การประกอบตัวเองและการควบคุมด้วยไฟฟ้า

นาโนคริสตัล เซมิคอนดักเตอร์คอลลอยด์ถูกสังเคราะห์จากสารละลาย คล้ายกับกระบวนการทางเคมี แบบดั้งเดิม ความแตกต่างหลักคือ ผลิตภัณฑ์จะไม่ตกตะกอนเป็นของแข็งก้อนใหญ่หรือละลายอยู่^{[ 6 ]}การให้ความร้อนแก่สารละลายที่อุณหภูมิสูงสารตั้งต้นจะสลายตัวกลายเป็นโมโนเมอร์ ซึ่งจะเกิดนิวเคลียสและสร้างนาโนคริสตัล อุณหภูมิเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเจริญเติบโตของนาโนคริสตัล ต้องสูงพอที่จะทำให้เกิดการจัดเรียงตัวใหม่และการอบอ่อนของอะตอมในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ ในขณะเดียวกันก็ต้องต่ำพอที่จะส่งเสริมการเจริญเติบโตของผลึก ความเข้มข้นของโมโนเมอร์เป็นอีกปัจจัยสำคัญที่ต้องควบคุมอย่างเข้มงวดในระหว่างการเจริญเติบโตของนาโนคริสตัล กระบวนการเจริญเติบโตของนาโนคริสตัลสามารถเกิดขึ้นได้ในสองสภาวะที่แตกต่างกัน คือ "การโฟกัส" และ "การกระจายตัว" ที่ความ เข้มข้นของ โมโนเมอร์สูง ขนาดวิกฤต (ขนาดที่นาโนคริสตัลไม่เจริญเติบโตหรือหดตัว) จะค่อนข้างเล็ก ส่งผลให้เกือบทุกอนุภาคเจริญเติบโต ในสภาวะนี้ อนุภาคขนาดเล็กจะเติบโตเร็วกว่าอนุภาคขนาดใหญ่ (เนื่องจากผลึกขนาดใหญ่ต้องการอะตอมมากกว่าผลึกขนาดเล็กในการเติบโต) ส่งผลให้การกระจาย ขนาดเกิดการ โฟกัส ทำให้ได้การกระจายตัวของอนุภาคที่มีขนาดใกล้เคียงกันอย่างไม่น่าเชื่อ การโฟกัสขนาดจะเหมาะสมที่สุดเมื่อความเข้มข้นของโมโนเมอร์อยู่ในระดับที่ขนาดเฉลี่ยของนาโนคริสตัลมีขนาดใหญ่กว่าขนาดวิกฤตเล็กน้อยเสมอ เมื่อเวลาผ่านไป ความเข้มข้นของโมโนเมอร์จะลดลง ขนาดวิกฤตจะใหญ่กว่าขนาดเฉลี่ย และการกระจายตัวจะเกิดการกระจายตัวแบบไม่โฟกัสมีวิธีการแบบคอลลอยด์ในการผลิตสารกึ่งตัวนำหลายชนิด จุดทั่วไปทำจากสารประกอบไบนารี เช่นตะกั่วซัลไฟด์ตะกั่วซีลีไนด์แคดเมียมซีลีไนด์ แคดเมียม ซัลไฟด์แคดเมียมเทลลูไรด์อินเดียมอาร์เซ ไนด์ และอินเดียมฟอสไฟ ด์ จุดอาจทำจากสารประกอบเทอร์นารี เช่น แคดเมียมซีลีไนด์ซัลไฟด์ได้เช่นกัน นอกจากนี้ ความก้าวหน้าล่าสุดยังช่วยให้สามารถสังเคราะห์ควอนตัมดอตเพอร์รอฟสไก ต์คอลลอยด์ได้ ^{[ 31 ]} ควอนตัมดอตเหล่านี้สามารถบรรจุอะตอมได้ตั้งแต่ 100 ถึง 100,000 อะตอมภายในปริมาตรของควอนตัมดอต โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ถึง 50 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางอะตอม ซึ่งสอดคล้องกับประมาณ 2 ถึง 10 นาโนเมตรและที่เส้นผ่านศูนย์กลาง 10 นาโนเมตร ควอนตัมดอตเกือบ 3 ล้านตัวสามารถเรียงต่อกันได้และพอดีกับความกว้างของนิ้วหัวแม่มือของมนุษย์

สามารถสังเคราะห์ควอนตัมดอทจำนวนมากได้ด้วยวิธีการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์เนื่องจากความสามารถในการขยายขนาดและความสะดวกในการดำเนินการในห้องปฏิบัติการวิธีการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์จึงมีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์

การสังเคราะห์ ด้วยพลาสมาได้พัฒนาจนกลายเป็นหนึ่งในวิธีการเฟสแก๊สที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการผลิตควอนตัมดอต โดยเฉพาะอย่างยิ่งควอนตัมดอตที่มีพันธะโควาเลนต์^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}ตัวอย่างเช่น ควอนตัมดอต ซิลิคอนและเจอร์มาเนียมได้รับการสังเคราะห์โดยใช้พลาสมาที่ไม่ใช่ความร้อนขนาด รูปร่าง พื้นผิว และองค์ประกอบของควอนตัมดอตสามารถควบคุมได้ทั้งหมดในพลาสมาที่ไม่ใช่ความร้อน^{[ 35 ] [ 36 ]}การเจือปนซึ่งดูเหมือนจะเป็นเรื่องท้าทายสำหรับควอนตัมดอตก็ได้รับการทำให้เป็นจริงในการสังเคราะห์ด้วยพลาสมาเช่น กัน ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}ควอนตัมดอตที่สังเคราะห์ด้วยพลาสมามักอยู่ในรูปของผง ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนพื้นผิวได้ ซึ่งอาจนำไปสู่การกระจายตัวที่ดีเยี่ยมของควอนตัมดอตในตัวทำละลายอินทรีย์^{[ 40 ]}หรือน้ำ^{[ 41 ]} (เช่น ควอนตัมดอตคอลลอยด์)

ศักยภาพไฟฟ้าสถิตที่จำเป็นในการสร้างควอนตัมดอตสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีการหลายวิธี ซึ่งรวมถึงอิเล็กโทรดภายนอก^{[ 42 ]}การเจือปน ความเครียด^{[ 43 ]}หรือสิ่งเจือปน โดยทั่วไปควอนตัมดอตที่ประกอบตัวเองจะมีขนาดระหว่าง 5 ถึง 50 นาโนเมตร ควอนตัมดอตที่กำหนดโดยอิเล็กโทรดเกต ที่มีลวดลายลิ โทกราฟีหรือโดยการกัดบนก๊าซอิเล็กตรอนสองมิติในโครงสร้างเฮเทอโรเซมิคอนดักเตอร์สามารถมีขนาดด้านข้างระหว่าง 20 ถึง 100 นาโนเมตร

การก่อตัวของควอนตัมดอทสามารถเกิดขึ้นเองได้เมื่อวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ถูกวางลงบนพื้นผิวและมีความแตกต่างของช่องว่างแลตติสระหว่างกัน^{[ 1 ]}

ด้วยเทคโนโลยีการผลิตระดับนาโนขั้นสูง ทำให้สามารถควบคุมคุณสมบัติของควอนตัมดอตได้ เช่น ปฏิสัมพันธ์ รูปร่าง ขนาด และความโปร่งใส

ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้แรงดันลบกับประตูโลหะที่ล้อมรอบควอนตัมดอต (QD) เส้นผ่านศูนย์กลางของควอนตัมดอตจะเริ่มบีบตัวลงทีละน้อย ส่งผลให้จำนวนอิเล็กตรอนบนควอนตัมดอตลดลงทีละตัว ซึ่งอาจดำเนินต่อไปจนกว่าจะไม่มีอิเล็กตรอนเหลืออยู่อีก

คุณสมบัติก่อนหน้านี้อนุญาตให้บันทึกกระแสไฟฟ้าไหลเป็นจำนวนอิเล็กตรอนบนจุด ซึ่งหมายความว่าพลังงานจะเปลี่ยนแปลง^{[ 44 ]}

• จุดควอนตัมบางจุดเป็นบริเวณเล็กๆ ของวัสดุหนึ่งที่ฝังอยู่ในวัสดุอื่นที่มีช่องว่างแถบพลังงาน ที่ใหญ่ กว่า สิ่งเหล่านี้อาจเป็นโครงสร้างแบบแกน-เปลือก เช่น มีCdSeอยู่ในแกนและZnSอยู่ในเปลือก หรือมาจากซิลิกา ชนิดพิเศษ ที่เรียกว่าออร์โมซิลเปลือกที่มีความหนาน้อยกว่าชั้นโมโนเลเยอร์ก็เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทำให้จุดควอนตัมเสถียร เช่น แกน PbS ที่มีเปลือก CdS ที่มีความหนาน้อยกว่าชั้นโมโนเลเยอร์^{[ 45 ]}
• จุดควอนตัมบางครั้งเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติใน โครงสร้าง บ่อควอนตัมเนื่องจากการผันผวนของชั้นโมโนเลเยอร์ในความหนาของบ่อ

• จุดควอนตัมที่ประกอบตัวเองจะเกิดนิวเคลียสขึ้นเองภายใต้เงื่อนไขบางประการระหว่างการปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (MBE) และการปลูกผลึกด้วยไอระเหยโลหะอินทรีย์ (MOVPE) เมื่อวัสดุถูกปลูกบนพื้นผิวที่ไม่เข้ากันกับโครงสร้างแลตติสความเครียด ที่เกิดขึ้น จะนำไปสู่การก่อตัวของเกาะบนชั้นเปียก สองมิติ โหมดการเติบโตนี้เรียกว่าการเติบโตแบบ Stranski–Krastanov [ ^{46 ] เกาะ}เหล่านี้สามารถถูกฝังลงไปเพื่อสร้างจุดควอนตัมได้ จุดควอนตัมชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายซึ่งปลูกด้วยวิธีนี้คือจุดควอนตัมอินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ ( InGaAs ) ในแกลเลียมอาร์เซไนด์ ( GaAs ) ^{[ 47 ]}จุดควอนตัมดังกล่าวมีศักยภาพในการใช้งานในด้านการเข้ารหัสควอนตัม (นั่นคือแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว ) และการคำนวณควอนตัม ข้อจำกัดหลักของวิธีนี้คือต้นทุนการผลิตที่สูงและการขาดการควบคุมตำแหน่งของจุดแต่ละจุด
• จุดควอนตัมแต่ละจุดสามารถสร้างขึ้นได้จากก๊าซอิเล็กตรอนหรือโฮลสองมิติที่มีอยู่ในบ่อควอนตัมที่เจือปนจากระยะไกลหรือโครงสร้างเฮเทอโรเซมิคอนดักเตอร์ที่เรียกว่าจุดควอนตัมด้านข้างพื้นผิวตัวอย่างจะถูกเคลือบด้วยชั้นเรซิสต์บาง ๆ จากนั้นรูปแบบด้านข้างจะถูกกำหนดในเรซิสต์โดย ลิโทกรา ฟีลำแสงอิเล็กตรอนจากนั้นรูปแบบนี้สามารถถ่ายโอนไปยังก๊าซอิเล็กตรอนหรือโฮลได้โดยการกัด หรือโดยการวางอิเล็กโทรดโลหะ (กระบวนการยกออก) ซึ่งช่วยให้สามารถใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกระหว่างก๊าซอิเล็กตรอนและอิเล็กโทรดได้ จุดควอนตัมดังกล่าวส่วนใหญ่น่าสนใจสำหรับการทดลองและการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งอิเล็กตรอนหรือโฮล และยังใช้เป็นคิวบิตสปินอีก ด้วย ^{[ 48 ]}จุดแข็งของจุดควอนตัมประเภทนี้คือสเปกตรัมพลังงานของพวกมันสามารถออกแบบได้โดยการควบคุมขนาดทางเรขาคณิต รูปร่าง และความแรงของศักยภาพการกักขังด้วยอิเล็กโทรดเกต จุดควอนตัมเหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกับตัวนำไฟฟ้าได้อย่างง่ายดายโดยใช้สิ่งกีดขวางแบบอุโมงค์ ซึ่งช่วยให้สามารถนำเทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบอุโมงค์มาใช้ในการตรวจสอบได้
• เทคโนโลยี CMOS (Complementary metal–oxide–semiconductor)สามารถนำมาใช้ในการผลิตควอนตัมดอทซิลิคอนได้ ทรานซิสเตอร์ CMOS ขนาดเล็กมาก (20 nm × 20 nm) ทำหน้าที่เป็นควอนตัมดอทอิเล็กตรอนเดี่ยวเมื่อทำงานที่อุณหภูมิเยือกแข็งในช่วงตั้งแต่ −269 °C (4  K ) ถึงประมาณ −258 °C (15  K ) ทรานซิสเตอร์แสดงปรากฏการณ์ Coulomb blockade เนื่องจากการประจุอิเล็กตรอน (โฮล) ทีละตัวอย่างต่อเนื่อง จำนวนอิเล็กตรอน (โฮล) ที่ถูกกักอยู่ในช่องจะถูกควบคุมโดยแรงดันเกต โดยเริ่มจากการครอบครองอิเล็กตรอน (โฮล) เป็นศูนย์ และสามารถตั้งค่าเป็นหนึ่งหรือหลายตัวได้^{[ 49 ]}

Genetically engineered M13 bacteriophage viruses allow preparation of quantum dot biocomposite structures.^[50] It had previously been shown that genetically engineered viruses can recognize specific semiconductor surfaces through the method of selection by combinatorial phage display.^[51] Additionally, it is known that liquid crystalline structures of wild-type viruses (Fd, M13, and TMV) are adjustable by controlling the solution concentrations, solution ionic strength, and the external magnetic field applied to the solutions. Consequently, the specific recognition properties of the virus can be used to organize inorganic nanocrystals, forming ordered arrays over the length scale defined by liquid crystal formation. Using this information, Lee et al. (2000) were able to create self-assembled, highly oriented, self-supporting films from a phage and ZnS precursor solution. This system allowed them to vary both the length of bacteriophage and the type of inorganic material through genetic modification and selection.

Highly ordered arrays of quantum dots may also be self-assembled by electrochemical techniques. A template is created by causing an ionic reaction at an electrolyte–metal interface which results in the spontaneous assembly of nanostructures, including quantum dots, onto the metal which is then used as a mask for mesa-etching these nanostructures on a chosen substrate.

Quantum dot manufacturing relies on a process called high temperature dual injection which has been scaled by multiple companies for commercial applications that require large quantities (hundreds of kilograms to tons) of quantum dots. This reproducible production method can be applied to a wide range of quantum dot sizes and compositions.

The bonding in certain cadmium-free quantum dots, such as III–V-based quantum dots, is more covalent than that in II–VI materials, therefore it is more difficult to separate nanoparticle nucleation and growth via a high temperature dual injection synthesis. An alternative method of quantum dot synthesis, the molecular seeding process, provides a reproducible route to the production of high-quality quantum dots in large volumes. The process utilises identical molecules of a molecular cluster compound as the nucleation sites for nanoparticle growth, thus avoiding the need for a high temperature injection step. Particle growth is maintained by the periodic addition of precursors at moderate temperatures until the desired particle size is reached.^[52] The molecular seeding process is not limited to the production of cadmium-free quantum dots; for example, the process can be used to synthesise kilogram batches of high-quality II–VI quantum dots in just a few hours.

Another approach for the mass production of colloidal quantum dots can be seen in the transfer of the well-known hot-injection methodology for the synthesis to a technical continuous flow system. The batch-to-batch variations arising from the needs during the mentioned methodology can be overcome by utilizing technical components for mixing and growth as well as transport and temperature adjustments. For the production of CdSe based semiconductor nanoparticles this method has been investigated and tuned to production amounts of kilograms per month. Since the use of technical components allows for easy interchange in regards of maximum throughput and size, it can be further enhanced to tens or even hundreds of kilograms.^[53]

In 2011 a consortium of U.S. and Dutch companies reported a milestone in high-volume quantum dot manufacturing by applying the traditional high temperature dual injection method to a flow system.^[54]

On 23 January 2013 Dow entered into an exclusive licensing agreement with UK-based Nanoco for the use of their low-temperature molecular seeding method for bulk manufacture of cadmium-free quantum dots for electronic displays, and on 24 September 2014 Dow commenced work on the production facility in South Korea capable of producing sufficient quantum dots for "millions of cadmium-free televisions and other devices, such as tablets". Mass production was due to commence in mid-2015.^[55] On 24 March 2015, Dow announced a partnership deal with LG Electronics to develop the use of cadmium free quantum dots in displays.^[56]

ควอนตัมดอทบางชนิดก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อมภายใต้เงื่อนไขบางประการ^{[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}ที่น่าสังเกตคือ การศึกษาเกี่ยวกับความเป็นพิษของควอนตัมดอทมุ่งเน้นไปที่อนุภาคที่มีแคดเมียมและยังไม่ได้รับการพิสูจน์ในแบบจำลองสัตว์หลังจากการให้ยาในปริมาณที่เกี่ยวข้องทางสรีรวิทยา^{[ 59 ]} การศึกษา ในหลอดทดลองโดยอาศัยการเพาะเลี้ยงเซลล์เกี่ยวกับความเป็นพิษของควอนตัมดอท (QD) ชี้ให้เห็นว่าความเป็นพิษของพวกมันอาจเกิดจากหลายปัจจัย รวมถึง ลักษณะ ทางกายภาพและเคมี (ขนาด รูปร่าง องค์ประกอบ หมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิว และประจุบนพื้นผิว) และสภาพแวดล้อม การประเมินความเป็นพิษที่อาจเกิดขึ้นนั้นซับซ้อน เนื่องจากปัจจัยเหล่านี้รวมถึงคุณสมบัติ เช่น ขนาดของ QD ประจุ ความเข้มข้น องค์ประกอบทางเคมี ลิแกนด์ที่ปิดคลุม และยังรวมถึงความเสถียรต่อการออกซิเดชัน กลไก และการสลายตัวด้วยแสง^{[ 57 ]}

การศึกษาหลายชิ้นมุ่งเน้นไปที่กลไกความเป็นพิษ ของ QD โดยใช้แบบจำลองการเพาะเลี้ยงเซลล์ มีการแสดงให้เห็นว่าหลังจากสัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลตหรือการออกซิเดชันโดยอากาศ CdSe QD จะปล่อยไอออนแคดเมียมอิสระออกมาทำให้เซลล์ตาย^{[ 60 ]}นอกจากนี้ยังมีรายงานว่า QD กลุ่ม II–VI สามารถกระตุ้นการสร้างอนุมูลอิสระออกซิเจนหลังจากสัมผัสกับแสง ซึ่งอาจทำลายส่วนประกอบของเซลล์ เช่น โปรตีน ไขมัน และ DNA ได้^{[ 61 ]}บางการศึกษายังแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มเปลือก ZnS สามารถยับยั้งกระบวนการสร้างอนุมูลอิสระออกซิเจนใน CdSe QD ได้ อีกแง่มุมหนึ่งของความเป็นพิษของ QD คือ ในร่างกายจะมีเส้นทางภายในเซลล์ที่ขึ้นอยู่กับขนาด ซึ่งจะทำให้อนุภาคเหล่านี้มีความเข้มข้นในออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่ไม่สามารถเข้าถึงได้โดยไอออนโลหะ ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดรูปแบบความเป็นพิษที่ไม่เหมือนใครเมื่อเทียบกับไอออนโลหะที่เป็นส่วนประกอบ^{[ 62 ]}รายงานเกี่ยวกับการแปลตำแหน่งของ QD ในนิวเคลียสของเซลล์^{[ 63 ]}นำเสนอรูปแบบความเป็นพิษเพิ่มเติม เนื่องจากอาจทำให้เกิดการกลายพันธุ์ของ DNA ซึ่งจะแพร่กระจายไปยังเซลล์รุ่นต่อไป ทำให้เกิดโรค

แม้ว่าจะมีรายงานความเข้มข้นของ QD ในออร์แกเนลล์บางชนิดใน การศึกษา ในร่างกายโดยใช้แบบจำลองสัตว์ แต่ก็ไม่พบการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรม น้ำหนัก เครื่องหมายทางโลหิตวิทยา หรือความเสียหายของอวัยวะในสัตว์ผ่านการวิเคราะห์ทางเนื้อเยื่อวิทยาหรือชีวเคมี^{[ 64 ]}ผลการค้นพบเหล่านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าปริมาณภายในเซลล์เป็นปัจจัยสำคัญที่สุดในการกำหนดความเป็นพิษของ QD ดังนั้น ปัจจัยที่กำหนดการดูดซึม QD เข้าสู่เซลล์ซึ่งกำหนดความเข้มข้นภายในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพ เช่น ขนาด รูปร่าง และเคมีพื้นผิวของ QD จะกำหนดความเป็นพิษของพวกมัน การขับถ่าย QD ออกทางปัสสาวะในแบบจำลองสัตว์ยังแสดงให้เห็นผ่านการฉีด QD CdSe ที่เคลือบด้วย ZnS ที่ติดฉลากด้วยรังสี โดยที่เปลือกของลิแกนด์ติดฉลากด้วย^99m Tc ^{[ 65} ] แม้ว่าการศึกษาอื่นๆ อีกหลายชิ้นจะสรุปได้ว่ามีการกักเก็บ QD ไว้ในระดับเซลล์^{[ 59 ] [ 66 ] แต่}การขับถ่าย QD ออกจากเซลล์ยังคงได้รับการศึกษาน้อยมากในวรรณกรรม

แม้ว่าความพยายามในการวิจัยอย่างมากจะช่วยขยายความเข้าใจเกี่ยวกับความเป็นพิษของ QD แต่ก็ยังมีความแตกต่างกันมากในเอกสารทางวิชาการ และยังมีคำถามอีกมากมายที่ยังต้องหาคำตอบ ความหลากหลายของวัสดุประเภทนี้เมื่อเทียบกับสารเคมีทั่วไปทำให้การประเมินความเป็นพิษเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก เนื่องจากความเป็นพิษอาจเปลี่ยนแปลงไปตามปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ระดับ pH การสัมผัสแสง และชนิดของเซลล์ วิธีการประเมินความเป็นพิษของสารเคมีแบบดั้งเดิม เช่นLD ₅₀จึงใช้ไม่ได้กับ QD ดังนั้น นักวิจัยจึงมุ่งเน้นไปที่การแนะนำแนวทางใหม่ๆ และปรับวิธีการที่มีอยู่ให้ครอบคลุมวัสดุประเภทนี้โดยเฉพาะ^{[ 59 ]}นอกจากนี้ ชุมชนวิทยาศาสตร์ยังคงสำรวจกลยุทธ์ใหม่ๆ ในการสร้าง QD ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น นวัตกรรมล่าสุดในสาขานี้คือการค้นพบควอนตัมดอทคาร์บอนซึ่งเป็นอนุภาคนาโนที่ออกฤทธิ์ทางแสงรุ่นใหม่ที่มีศักยภาพในการแทนที่ควอนตัมดอทเซมิคอนดักเตอร์ แต่มีข้อดีคือมีความเป็นพิษต่ำกว่ามาก

จุดควอนตัมได้รับความสนใจจากชุมชนวิทยาศาสตร์เนื่องจากคุณสมบัติทางแสงที่น่าสนใจ โดยคุณสมบัติหลักคือความสามารถในการปรับช่องว่างพลังงาน เมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้นไปยังแถบนำไฟฟ้า มันจะทิ้งช่องว่างไว้ในแถบวาเลนซ์ที่เรียกว่าโฮ ล ประจุตรงข้ามสองประจุนี้ถูกผูกไว้ด้วยปฏิกิริยาคูลอมบ์ในสิ่งที่เรียกว่าเอ็กซิตอน และการแยกตัวในเชิงพื้นที่ของพวกมันถูกกำหนดโดยรัศมีโบร์ของเอ็กซิตอน ในโครงสร้างนาโนที่มีขนาดใกล้เคียงกับรัศมีโบร์ของเอ็กซิตอน เอ็กซิตอนจะถูกจำกัดทางกายภาพภายในสารกึ่งตัวนำ ส่งผลให้ช่องว่างพลังงานของวัสดุเพิ่มขึ้น ความสัมพันธ์นี้สามารถทำนายได้โดยใช้แบบจำลอง Brus ^{[ 67 ]}

เนื่องจากพลังงานการกักขังขึ้นอยู่กับขนาดของควอนตัมดอต ทั้ง การเริ่มต้น การดูดกลืนและ การปล่อยแสง ฟลูออ เรสเซน ซ์จึงสามารถปรับได้โดยการเปลี่ยนขนาดของควอนตัมดอตในระหว่างการสังเคราะห์ ยิ่งดอตมีขนาดใหญ่การเริ่มต้นการดูดกลืนและสเปกตรัม ฟลูออเรสเซนซ์ก็จะยิ่งเป็นสีแดง (พลังงานต่ำ) ในทางกลับกัน ดอตขนาดเล็กจะดูดกลืนและปล่อย แสง สีน้ำเงิน (พลังงานสูง) บทความล่าสุดชี้ให้เห็นว่ารูปร่างของควอนตัมดอตอาจเป็นปัจจัยหนึ่งในเรื่องสีเช่นกัน แต่ยังไม่มีข้อมูลเพียงพอ นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็น^{[ 68 ]}ว่าอายุของฟลูออเรสเซนซ์ถูกกำหนดโดยขนาดของควอนตัมดอต ดอตขนาดใหญ่จะมีระดับพลังงานที่อยู่ใกล้กันมากขึ้นซึ่งคู่อิเล็กตรอน-โฮลสามารถถูกดักจับได้ ดังนั้นคู่อิเล็กตรอน-โฮลในดอตขนาดใหญ่จึงมีอายุยืนยาวกว่า ทำให้ดอตขนาดใหญ่แสดงอายุที่ยาวนานกว่า

เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเรืองแสงควอนตัม สามารถสร้างควอนตัมดอตโดยมีชั้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานกว้างกว่าห่อหุ้มอยู่รอบๆ คาดว่าการปรับปรุงนี้เกิดจากการลดการเข้าถึงของอิเล็กตรอนและโฮลไปยังเส้นทางการรวมตัวใหม่แบบไม่แผ่รังสีที่พื้นผิวในบางกรณี แต่ก็เกิดจากการลดการรวมตัวใหม่แบบออเกอร์ในกรณีอื่นๆ ด้วย

จุดควอนตัมมีแนวโน้มที่ดีเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานทางแสงเนื่องจากมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง สูง ^{[ 69 ]}และความไม่เชิงเส้นทางแสงที่รวดเร็วมากพร้อมศักยภาพในการใช้งานเพื่อพัฒนาระบบออปติคอลทั้งหมด^{[ 70 ]}พวกมันทำงานเหมือนทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวและแสดง เอฟเฟกต์ การปิดกั้นคูลอมบ์จุดควอนตัมยังได้รับการเสนอแนะให้เป็นการนำคิวบิต มาใช้ สำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัม^[ 71 ^{] และ}เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานสำหรับเทอร์โมอิเล็กทริก^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}

การปรับขนาดของควอนตัมดอตนั้นน่าสนใจสำหรับแอปพลิเคชันที่มีศักยภาพมากมาย ตัวอย่างเช่น ควอนตัมดอตขนาดใหญ่จะมีการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมไปทางสีแดงมากกว่าเมื่อเทียบกับดอตขนาดเล็ก และแสดงคุณสมบัติควอนตัมที่เด่นชัดน้อยกว่า ในทางกลับกัน อนุภาคขนาดเล็กช่วยให้สามารถใช้ประโยชน์จากผลกระทบควอนตัมที่ละเอียดอ่อนกว่าได้

เนื่องจากมีมิติเป็นศูนย์จุดควอนตัมจึงมีความหนาแน่นของสถานะที่ คมชัด กว่าโครงสร้างที่มีมิติสูงกว่า ส่งผลให้มีคุณสมบัติการขนส่งและคุณสมบัติทางแสงที่เหนือกว่า มีศักยภาพในการใช้งานในเลเซอร์ไดโอดเครื่องขยายสัญญาณ และเซ็นเซอร์ทางชีวภาพ^{[ 76 ]}จุดควอนตัมอาจถูกกระตุ้นภายในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ได้รับการเสริมประสิทธิภาพเฉพาะที่ซึ่งผลิตโดยอนุภาคนาโนทองคำ จากนั้นสามารถสังเกตได้จากเรโซแนนซ์พลาสมอน บนพื้นผิว ในสเปกตรัมการกระตุ้นการเรืองแสงของผลึกนาโน (CdSe)ZnS จุดควอนตัมคุณภาพสูงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเข้ารหัสทางแสงและการใช้งานมัลติเพล็กซ์เนื่องจากโปรไฟล์การกระตุ้นที่กว้างและสเปกตรัมการปล่อยแสงที่แคบ/สมมาตร จุดควอนตัมรุ่นใหม่มีศักยภาพที่กว้างไกลสำหรับการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการภายในเซลล์ในระดับโมเลกุลเดี่ยว การถ่ายภาพเซลล์ที่มีความละเอียดสูง การสังเกตการเคลื่อนที่ของเซลล์ในร่างกายในระยะยาว การกำหนดเป้าหมายเนื้องอก และการวินิจฉัย

นาโนคริสตัล CdSe เป็นตัวกระตุ้นแสงแบบทริปเล็ตที่มีประสิทธิภาพ^{[ 77 ]}การกระตุ้นด้วยเลเซอร์ของอนุภาคนาโน CdSe ขนาดเล็กทำให้สามารถดึงพลังงานสถานะกระตุ้นจากควอนตัมดอตเข้าสู่สารละลายจำนวนมากได้ จึงเปิดโอกาสให้มีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การบำบัดด้วยแสง อุปกรณ์โฟโตโวลตาอิก อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล และตัวเร่งปฏิกิริยา

ในการวิเคราะห์ทางชีววิทยาสมัยใหม่ มีการใช้ สีย้อมอินทรีย์หลายชนิดอย่างไรก็ตาม เมื่อเทคโนโลยีก้าวหน้าขึ้น ก็มีความต้องการความยืดหยุ่นที่มากขึ้นในสีย้อมเหล่านี้^{[ 78 ]}ด้วยเหตุนี้ ควอนตัมดอทจึงเข้ามามีบทบาทอย่างรวดเร็ว โดยพบว่ามีประสิทธิภาพเหนือกว่าสีย้อมอินทรีย์แบบดั้งเดิมในหลายด้าน หนึ่งในด้านที่เห็นได้ชัดที่สุดคือความสว่าง (เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูง รวมกับผลผลิตควอนตัมที่เทียบเท่ากับสีย้อมเรืองแสง^{[ 17 ]} ) รวมถึงความเสถียร (ทำให้เกิดการซีดจางของแสง น้อยลงมาก ) ^{[ 79 ]}มีการประมาณการว่าควอนตัมดอทมีความสว่างกว่าและเสถียรกว่าสารเรืองแสงแบบดั้งเดิมถึง 20 เท่าและ 100 เท่า^{[ 78 ]}สำหรับการติดตามอนุภาคเดี่ยวการกะพริบที่ไม่สม่ำเสมอของควอนตัมดอทถือเป็นข้อเสียเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม มีกลุ่มที่พัฒนาควอนตัมดอทที่ไม่กะพริบและแสดงให้เห็นถึงประโยชน์ในการทดลองติดตามโมเลกุลเดี่ยว^{[ 80 ] [ 81 ]}

การใช้ควอนตัมดอทสำหรับการถ่ายภาพเซลล์ที่มีความไวสูงได้เห็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ^{[ 82 ]}ตัวอย่างเช่น ความเสถียรต่อแสงที่ดีขึ้นของควอนตัมดอททำให้สามารถบันทึกภาพระนาบโฟกัสต่อเนื่องได้หลายภาพ ซึ่งสามารถสร้างใหม่เป็นภาพสามมิติที่มีความละเอียดสูงได้^{[ 83 ]}การใช้งานอีกอย่างหนึ่งที่ใช้ประโยชน์จากความเสถียรต่อแสงที่ยอดเยี่ยมของโพรบควอนตัมดอทคือการติดตามโมเลกุลและเซลล์แบบเรียลไทม์ในช่วงระยะเวลาที่ยาวนาน^{[ 84 ]}แอนติบอดีสเตรปตาไวดีน [ ^{85 ] เป} ปไทด์^{[ 86 ]}ดีเอ็นเอ^{[ 87 ]}แอพทาเมอร์กรดนิวคลี อิก ^{[ 88 ]}หรือลิแกนด์ โมเลกุลขนาดเล็ก ^{[ 89 ]}สามารถใช้เพื่อกำหนดเป้าหมายควอนตัมดอทไปยังโปรตีน เฉพาะ บนเซลล์ได้ นักวิจัยสามารถสังเกตควอนตัมดอทในต่อมน้ำเหลืองของหนูได้นานกว่า 4 เดือน^{[ 90 ]}

Quantum dots can have antibacterial properties similar to nanoparticles and can kill bacteria in a dose-dependent manner.^[91] One mechanism by which quantum dots can kill bacteria is through impairing the functions of antioxidative system in the cells and down regulating the antioxidative genes. In addition, quantum dots can directly damage the cell wall. Quantum dots have been shown to be effective against both gram- positive and gram-negative bacteria.^[92]

Semiconductor quantum dots have also been employed for in vitro imaging of pre-labeled cells. The ability to image single-cell migration in real time is expected to be important to several research areas such as embryogenesis, cancermetastasis, stem cell therapeutics, and lymphocyteimmunology.

One application of quantum dots in biology is as donor fluorophores in Förster resonance energy transfer, where the large extinction coefficient and spectral purity of these fluorophores make them superior to molecular fluorophores^[93] It is also worth noting that the broad absorbance of QDs allows selective excitation of the QD donor and a minimum excitation of a dye acceptor in FRET-based studies.^[94] The applicability of the FRET model, which assumes that the Quantum Dot can be approximated as a point dipole, has recently been demonstrated^[95]

The use of quantum dots for tumor targeting under in vivo conditions employ two targeting schemes: active targeting and passive targeting. In the case of active targeting, quantum dots are functionalized with tumor-specific binding sites to selectively bind to tumor cells. Passive targeting uses the enhanced permeation and retention of tumor cells for the delivery of quantum dot probes. Fast-growing tumor cells typically have more permeable membranes than healthy cells, allowing the leakage of small nanoparticles into the cell body. Moreover, tumor cells lack an effective lymphatic drainage system, which leads to subsequent nanoparticle accumulation.

โพรบควอนตัมดอทแสดงความเป็นพิษในร่างกาย ตัวอย่างเช่น นาโนคริสตัล CdSe มีความเป็นพิษสูงต่อเซลล์เพาะเลี้ยงภายใต้การฉายรังสี UV เนื่องจากอนุภาคจะละลายในกระบวนการที่เรียกว่าโฟโตไลซิสเพื่อปล่อยไอออนแคดเมียมที่เป็นพิษลงในตัวกลางเพาะเลี้ยง อย่างไรก็ตาม ในกรณีที่ไม่มีการฉายรังสี UV พบว่าควอนตัมดอทที่มีการเคลือบโพลีเมอร์ที่เสถียรนั้นแทบจะไม่มีความเป็นพิษเลย^{[ 90 ] [ 58 ]}การห่อหุ้มควอนตัมดอทด้วยไฮโดรเจลช่วยให้สามารถนำควอนตัมดอทเข้าสู่สารละลายน้ำที่เสถียรได้ ลดโอกาสการรั่วไหลของแคดเมียม อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อมูลน้อยมากเกี่ยวกับกระบวนการขับถ่ายของควอนตัมดอทจากสิ่งมีชีวิต^{[ 96 ]}

ในการประยุกต์ใช้งานที่เป็นไปได้อีกด้านหนึ่ง กำลังมีการศึกษาควอน ตัมดอทในฐานะสารเรืองแสงอนินทรีย์ สำหรับการตรวจจับเนื้องอกระหว่างการผ่าตัดโดยใช้ สเปกโทรส โก ปีแบบเรืองแสง

การส่งควอนตัมดอทที่ไม่เสียหายไปยังไซโตพลาสซึมของเซลล์เป็นความท้าทายด้วยเทคนิคที่มีอยู่ วิธีการแบบเวกเตอร์ส่งผลให้เกิดการรวมตัวและการกักเก็บควอนตัมดอทในเอนโดโซม ในขณะที่การใช้กระแสไฟฟ้าอาจทำให้อนุภาคกึ่งตัวนำเสียหายและทำให้ควอนตัมดอทที่ส่งมารวมตัวกันในไซโตโซลการบีบอัดเซลล์ช่วยให้สามารถส่งควอนตัมดอทได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ก่อให้เกิดการรวมตัว การดักจับวัสดุในเอนโดโซม หรือการสูญเสียความสามารถในการอยู่รอดของเซลล์อย่างมีนัยสำคัญ ยิ่งไปกว่านั้น ยังแสดงให้เห็นว่าควอนตัมดอทแต่ละตัวที่ส่งมาด้วยวิธีนี้สามารถตรวจจับได้ในไซโตโซลของเซลล์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของเทคนิคนี้สำหรับการศึกษาการติดตามโมเลกุลเดี่ยว^{[ 97 ]}

สเปกตรัมการดูดกลืนที่ปรับได้และค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงของควอนตัมดอตทำให้พวกมันน่าสนใจสำหรับเทคโนโลยีการเก็บเกี่ยวแสง เช่น โฟโตโวลตาอิกส์ ควอนตัมดอตอาจสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนของเซลล์แสงอาทิตย์ ซิลิคอนทั่วไปในปัจจุบัน ได้ จากรายงานการทดลองในปี 2547 ^{[ 98 ]}ควอนตัมดอตของตะกั่วเซเลไนด์ (PbSe) สามารถสร้างเอ็กซิตอนได้มากกว่าหนึ่งตัวจากโฟตอนพลังงานสูงหนึ่งตัวผ่านกระบวนการคูณตัวพาหรือการสร้างเอ็กซิตอนหลายตัว (MEG) ซึ่งเปรียบเทียบได้ดีกับเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบันที่สามารถจัดการได้เพียงเอ็กซิตอนเดียวต่อโฟตอนพลังงานสูง โดยที่ตัวพาพลังงานจลน์สูงสูญเสียพลังงานไปเป็นความร้อน ในทางกลับกัน สถานะพื้นฐานที่ถูกจำกัดด้วยควอนตัมของจุดควอนตัมคอลลอยด์ (เช่นตะกั่วซัลไฟด์ , PbS) ที่รวมอยู่ในเซมิคอนดักเตอร์โฮสต์ที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้างกว่า (เช่นเพอร์รอฟสไกต์ ) สามารถช่วยให้เกิดกระแสไฟฟ้าจากโฟตอนที่มีพลังงานต่ำกว่าช่องว่างแถบพลังงานของโฮสต์ ผ่านกระบวนการดูดซับสองโฟตอน ซึ่งเป็นอีกแนวทางหนึ่ง (เรียกว่าแถบพลังงานระดับกลาง , IB) เพื่อใช้ประโยชน์จากช่วงสเปกตรัมแสงอาทิตย์ที่กว้างขึ้น และด้วยเหตุนี้จึงบรรลุประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์^ที่ สูงขึ้น [ ^{99 ] [ 100 ]}

ตามทฤษฎีแล้ว เซลล์แสงอาทิตย์แบบควอนตัมดอทคอลลอยด์จะมีต้นทุนการผลิตที่ถูกกว่า เนื่องจากสามารถผลิตได้โดยใช้ปฏิกิริยาเคมีอย่างง่าย

ชั้นโมโนเลเยอร์ที่ประกอบตัวเองแบบอะโรมาติก(SAMs) (เช่นกรด 4-ไนโตรเบนโซอิก ) สามารถใช้เพื่อปรับปรุงการจัดเรียงแถบพลังงานที่อิเล็กโทรดเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น เทคนิคนี้ให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน (PCE) สูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ 10.7% ^{[ 101 ]} SAM ถูกวางไว้ระหว่างรอยต่อฟิล์มจุดควอนตัมคอลลอยด์ ZnO–PbS (CQD) เพื่อปรับเปลี่ยนการจัดเรียงแถบพลังงานผ่านโมเมนต์ไดโพลของโมเลกุล SAM ที่เป็นส่วนประกอบ และการปรับแต่งแถบพลังงานอาจได้รับการปรับเปลี่ยนผ่านความหนาแน่น ไดโพล และทิศทางของโมเลกุล SAM ^{[ 101 ]}

จุดควอนตัมคอลลอยด์ยังใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ไฮบริดอ นินทรีย์-อินทรีย์อีก ด้วย เซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้มีความน่าสนใจเนื่องจากมีศักยภาพในการผลิตต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพค่อนข้างสูง^{[ 102 ]}การรวมออกไซด์โลหะ เช่น ZnO, TiO ₂และนาโนวัสดุ Nb ₂ O ₅ เข้ากับโฟโตโวลตาอิกอินทรีย์ได้รับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์โดยใช้กระบวนการแบบม้วนต่อม้วนอย่างสมบูรณ์^{[ 102 ]}มีการอ้างว่าเซลล์แสงอาทิตย์ไฮบริด Si nanowire/PEDOT:PSS มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงาน 13.2% ^{[ 103 ]}

การใช้งานที่เป็นไปได้อีกอย่างหนึ่งคือการใช้ลวดนาโน ZnO ผลึกเดี่ยวที่มีจุดควอนตัม CdSe จุ่มอยู่ในกรดเมอร์แคปโทโพรพิโอนิกเป็นตัวกลางในการขนส่งรู เพื่อให้ได้เซลล์แสงอาทิตย์ที่ไวต่อจุดควอนตัม สัณฐานวิทยาของลวดนาโน ทำให้อิเล็กตรอนมีเส้นทางตรงไปยังโฟโตแอนโนด เซลล์แสงอาทิตย์รูปแบบนี้ มีประสิทธิภาพควอนตัมภายใน 50–60% ^{[ 104 ]}

นาโนไวร์ที่มีการเคลือบควอนตัมดอทบนนาโนไวร์ซิลิคอน (SiNW) และควอนตัมดอทคาร์บอน การใช้ SiNW แทนซิลิคอนแบบระนาบช่วยเพิ่มคุณสมบัติการสะท้อนแสงของ Si ^{[ 105 ]} SiNW แสดงผลการดักจับแสงเนื่องจากการดักจับแสงใน SiNW การใช้ SiNW ร่วมกับควอนตัมดอทคาร์บอนส่งผลให้เซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ (PCE) สูงถึง 9.10% ^{[ 105 ]}

จุดควอนตัม กราฟีนยังถูกผสมเข้ากับวัสดุอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและลดต้นทุนในอุปกรณ์โฟโตโวลตาอิกและไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ ( OLED ) เมื่อเทียบกับแผ่นกราฟีน จุดควอนตัมกราฟีนเหล่านี้ได้รับการปรับแต่งด้วยลิแกนด์อินทรีย์ที่เกิดการเรืองแสงจากการดูดซับ UV-visible ^{[ 106 ]}

สามารถสังเกตเห็นการปรับปรุงในด้านการนำไฟฟ้าและการกักเก็บประจุของแบตเตอรี่ได้เมื่อเติมควอนตัมดอท (QDs) ลงในขั้วบวก

In a comparison made between Pure MnO and MnO doped with quantum dot for the capacity of charge and discharge in (mAh/g) against the number of cycles, it can be seen that battery capacity, or the amount of energy that a battery can hold, is higher in MnO quantum dot-doped batteries than in batteries without, and remains higher after many charging/discharging cycles, taking in consideration a current density of Ag^-1. There exists a constant average difference of around 250 mAh/g in favor of the doped compound for both charge and discharge comparisons, comparing from 0 to 60 cycles, going from 1000 mAh/g to 450 mAh/g in the first 60 cycles for the doped compound, and from 750 mAh/g to 200 mAh/g for the pure MnO.^[107]

A comparison using Graphene Quantum Dots for a NP-SiAl compound not only shows higher discharge capacities but also an improved electrochemical impedance spectroscopy plot, indicating that the battery has better electrical conductivity. For the case of the NP-SiAl/GQDs, the value of -Z´´/ohm reaches a peak of 300, for 250 Z´/ohm, while for the pure NP-SiAl, the peak of 300 -Z´´/ohm is reached at 650 Z´/ohm.^[108]

In terms of energy, each individual quantum dot presents an energy level which is compared to that of an atom. Extending this property, an artificial lattice (made out of QDs) would have an energy band structure similar to the one of a crystalline semiconductor.

The energy level of a dot is dependent on the amount of charge in it and its capacitance.The energy present in electrons is proportional to the square of the wavelength, which makes the energy levels to rise quickly^[109]

Carbon quantum dots and Graphite quantum dots are the main types of quantum dots used in batteries.

The graphene quantum dots are made out of graphene sheets which are attached among them, forming a morphology similar to a 2D-disk.

The carbon quantum dots have an isotropic spherical structure and are made out of crystalline and amorphous carbon sheets.

From these common quantum dots, the graphene ones, are usually more crystalline than the carbon ones, this is because they have the crystallinity of a mono-layered and few-layered graphene.^[108]

มีการเสนอวิธีการหลายวิธีในการใช้ควอนตัมดอทเพื่อปรับปรุง การออกแบบ ไดโอดเปล่งแสง (LED) ที่มีอยู่ รวมถึง จอแสดง ผลไดโอดเปล่งแสงควอนตัมดอท (QD-LED หรือ QLED) และ จอแสดง ผลไดโอดเปล่งแสงสีขาวควอนตัมดอท (QD-WLED) เนื่องจากควอนตัมดอทผลิต แสง โมโนโครมาติก ตามธรรมชาติ จึงมีประสิทธิภาพมากกว่าแหล่งกำเนิดแสงที่ต้องกรองสี QD-LED สามารถผลิตบนพื้นผิวซิลิคอน ซึ่งทำให้สามารถรวมเข้ากับวงจรรวม แบบซิลิคอนมาตรฐาน หรือ ระบบไมโครอิ เล็กโทรเมคานิกส์ ได้ ^{[ 110 ]}

จุดควอนตัมมีคุณค่าสำหรับการใช้งานในจอแสดงผล เนื่องจากมันปล่อยแสงออกมาในรูปแบบการกระจายแบบเกาส์เซียนที่ เฉพาะเจาะจงมาก ซึ่งส่งผลให้จอแสดงผลมีสีที่แม่นยำยิ่งขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

จอแสดงผลคริสตัลเหลวสี (LCD) ทั่วไปมักใช้หลอดฟลูออเรสเซนต์ (CCFL) หรือLED สีขาวทั่วไปที่ผ่านการกรองสีเพื่อสร้างพิกเซลสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ในขณะที่จอแสดงผลควอนตัมดอทใช้ LED สีน้ำเงินแทน LED สีขาวเป็นแหล่งกำเนิดแสง ส่วนที่แปลงแสงที่ปล่อยออกมาจะถูกแปลงเป็นแสงสีเขียวและสีแดงบริสุทธิ์โดยควอนตัมดอทสีที่สอดคล้องกันซึ่งวางอยู่ด้านหน้า LED สีน้ำเงิน หรือใช้แผ่นกระจายแสงที่ผสมควอนตัมดอทในโครงสร้างออปติคอลแบ็คไลท์ นอกจากนี้ยังใช้พิกเซลว่างเพื่อให้แสง LED สีน้ำเงินยังคงสร้างเฉดสีน้ำเงินได้ แสงสีขาวประเภทนี้ที่ใช้เป็นแบ็คไลท์ของแผง LCD ช่วยให้ได้ขอบเขตสีที่ดีที่สุดในราคาที่ต่ำกว่าการใช้ LED RGB สามดวง^{[ 111 ]}

อีกวิธีหนึ่งในการสร้างจอแสดงผลควอนตัมดอทคือวิธีอิเล็กโทรลูมิเนสเซนต์ (EL) หรืออิเล็กโทรอีมิสซีฟ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการฝังควอนตัมดอทในแต่ละพิกเซล จากนั้นจึงเปิดใช้งานและควบคุมผ่านการประยุกต์ใช้กระแสไฟฟ้า^{[ 112 ]}เนื่องจากมักจะเปล่งแสงออกมาเอง สีที่ได้จึงอาจมีข้อจำกัดในวิธีนี้^{[ 113 ]}ทีวี QD-LED แบบอิเล็กโทรอีมิสซีฟมีอยู่เฉพาะในห้องปฏิบัติการเท่านั้น

ความสามารถของควอนตัมดอทในการแปลงและปรับสเปกตรัมได้อย่างแม่นยำทำให้เป็นที่น่าสนใจสำหรับจอ LCD จอ LCD รุ่นก่อนๆ อาจสิ้นเปลืองพลังงานในการแปลงแสงสีขาวที่มีสีแดง-เขียวน้อยและสีน้ำเงิน-เหลืองมากให้เป็นแสงที่มีความสมดุลมากขึ้น การใช้ควอนตัมดอทจะทำให้มีเฉพาะสีที่จำเป็นสำหรับภาพที่สมบูรณ์แบบเท่านั้นที่อยู่ในหน้าจอ การใช้งานเชิงพาณิชย์ครั้งแรกของควอนตัมดอทคือโทรทัศน์จอแบน Sony XBR X900A series ที่วางจำหน่ายในปี 2013 ^{[ 114 ]}

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2549 QD Vision ประกาศความสำเร็จทางเทคนิคในการสร้าง จอแสดงผลควอนตัมดอทต้นแบบและแสดงการเปล่งแสงที่สว่างในย่านสเปกตรัมที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรด มีการใช้ QD-LED ที่รวมเข้ากับปลายกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนเพื่อสาธิตการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบสแกนแสงใกล้สนามฟลูออเรสเซนต์ ( NSOM ) ^{[ 115 ]}

โฟโตดีเทคเตอร์ควอนตัมดอท (QDPs) สามารถผลิตได้ทั้งโดยผ่านกระบวนการละลาย^{[ 116 ]}หรือจากเซมิคอนดักเตอร์ผลึกเดี่ยวแบบดั้งเดิม^{[ 117 ]} QDPs เซมิคอนดักเตอร์ผลึกเดี่ยวแบบดั้งเดิมไม่สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์แบบยืดหยุ่นได้เนื่องจากสภาวะการเจริญเติบโตไม่เข้ากันกับหน้าต่างกระบวนการที่จำเป็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ในทางกลับกัน QDPs ที่ผลิตด้วยกระบวนการละลายสามารถรวมเข้ากับพื้นผิวที่หลากหลายได้อย่างง่ายดาย และยังสามารถประมวลผลเพิ่มเติมบนวงจรรวมอื่นๆ ได้อีกด้วย QDPs แบบคอลลอยด์ดังกล่าวมี ศักยภาพในการใช้งานใน กล้องแสงที่มองเห็นได้และอินฟราเรด [ ^{118 ]}การมองเห็นด้วยเครื่องจักร การตรวจสอบทางอุตสาหกรรมสเปกโทรสโก ปี และ ^การถ่ายภาพชีวการแพทย์ด้วย ฟลูออเรสเซนต์

จุดควอนตัมยังทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงสำหรับการเปลี่ยนน้ำเป็นไฮโดรเจนด้วยกระบวนการทางเคมีโดยใช้แสง ซึ่งเป็นเส้นทางสู่เชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์ใน การ เร่งปฏิกิริยาด้วยแสง คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดขึ้นในจุดภายใต้ การกระตุ้น ช่องว่าง แถบพลังงาน จะขับเคลื่อนปฏิกิริยารีดอกซ์ในของเหลวโดยรอบ โดยทั่วไปแล้ว กิจกรรมเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงของจุดจะเกี่ยวข้องกับขนาดอนุภาคและระดับการกักขังควอนตัม [ ^{119 ] ทั้งนี้}เนื่องจากช่องว่างแถบพลังงานเป็นตัวกำหนดพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในจุดในสถานะกระตุ้น อุปสรรคในการใช้จุดควอนตัมในการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงคือการมีสารลดแรงตึงผิวอยู่บนพื้นผิวของจุด สารลดแรงตึงผิวเหล่านี้ (หรือลิแกนด์ ) จะรบกวนปฏิกิริยาทางเคมีของจุดโดยการทำให้กระบวนการ ถ่ายโอนมวลและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนช้าลงนอกจากนี้ จุดควอนตัมที่ทำจากโลหะแคลโคเจนไนด์ยังไม่เสถียรทางเคมีภายใต้สภาวะออกซิไดซ์และเกิดปฏิกิริยาการกัดกร่อนด้วยแสง

จุดควอนตัมยังสามารถใช้ในการศึกษาผลกระทบพื้นฐานในวิทยาศาสตร์วัสดุ ได้อีก ด้วย การเชื่อมต่อจุดควอนตัมสองจุดขึ้นไปสามารถสร้างโมเลกุลเทียม ได้ ซึ่งแสดง การผสมกันแม้ในอุณหภูมิห้อง^{[ 120 ]}การประกอบจุดควอนตัมอย่างแม่นยำสามารถสร้างโครงสร้างซูเปอร์แลตติสที่ทำหน้าที่เป็นวัสดุของแข็งเทียมซึ่งแสดงคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์^{[ 121 ] [ 122 ]}

ตามทฤษฎีแล้ว จุดควอนตัม (Quantum dots) ถูกอธิบายว่าเป็นอนุภาคที่มีลักษณะเป็นจุด หรือมีมิติเป็นศูนย์ (0D) คุณสมบัติส่วนใหญ่ของจุดควอนตัมขึ้นอยู่กับมิติ รูปร่าง และวัสดุที่ใช้สร้าง โดยทั่วไป จุดควอนตัมจะมี คุณสมบัติทางเทอร์ โมไดนามิกส์ ที่แตกต่าง จากวัสดุที่เป็นก้อน หนึ่งในผลกระทบเหล่านี้คือการลดลงของจุดหลอมเหลวคุณสมบัติทางแสงของจุดควอนตัมโลหะทรงกลมนั้นสามารถอธิบายได้เป็นอย่างดีด้วยทฤษฎี การกระเจิงของ Mie

ระดับพลังงานของอนุภาคเดี่ยวในควอนตัมดอตสามารถทำนายได้โดยใช้ แบบจำลอง อนุภาคในกล่องซึ่งพลังงานของสถานะขึ้นอยู่กับความยาวของกล่อง สำหรับเอ็กซิตอนภายในควอนตัมดอต ยังมีปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบและโฮลที่มีประจุบวกอีกด้วย เมื่อเปรียบเทียบขนาดของควอนตัมดอตกับรัศมีโบร์ ของเอ็กซิตอน จะสามารถกำหนดได้สามระบอบ ใน 'ระบอบการกักขังที่แข็งแกร่ง' รัศมีของควอนตัมดอตมีขนาดเล็กกว่ารัศมีโบร์ของเอ็กซิตอนมาก หรือพลังงานการกักขังมีอิทธิพลเหนือปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์^{[ 123 ]}ใน 'ระบอบการกักขังที่อ่อนแอ' ควอนตัมดอตมีขนาดใหญ่กว่ารัศมีโบร์ของเอ็กซิตอน หรือพลังงานการกักขังมีขนาดเล็กกว่าปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างอิเล็กตรอนและโฮล ระบอบที่รัศมีโบร์ของเอ็กซิตอนและศักยภาพการกักขังเทียบกันได้เรียกว่า 'ระบอบการกักขังระดับกลาง' ^{[ 124 ]}

พลังงานช่องว่างแถบ

The band gap can become smaller in the strong confinement regime as the energy levels split up. The exciton Bohr radius can be expressed as:

${\displaystyle a_{\rm {B}}^{*}=\varepsilon _{\rm {r}}\left({\frac {m}{\mu }}\right)a_{\rm {B}}}$

where a_B = 0.053 nm is the Bohr radius, m is the mass, μ is the reduced mass, and ε_r is the size-dependent dielectric constant (relative permittivity). This results in the increase in the total emission energy (the sum of the energy levels in the smaller band gaps in the strong confinement regime is larger than the energy levels in the band gaps of the original levels in the weak confinement regime) and the emission at various wavelengths. If the size distribution of QDs is not enough peaked, the convolution of multiple emission wavelengths is observed as a continuous spectra.

Confinement energy

The exciton entity can be modeled using the particle in the box. The electron and the hole can be seen as hydrogen in the Bohr model with the hydrogen nucleus replaced by the hole of positive charge and negative electron mass. Then the energy levels of the exciton can be represented as the solution to the particle in a box at the ground level (n = 1) with the mass replaced by the reduced mass. Thus by varying the size of the quantum dot, the confinement energy of the exciton can be controlled.

Bound exciton energy

There is Coulomb attraction between the negatively charged electron and the positively charged hole. The negative energy involved in the attraction is proportional to Rydberg's energy and inversely proportional to square of the size-dependent dielectric constant^[125] of the semiconductor. When the size of the semiconductor crystal is smaller than the exciton Bohr radius, the Coulomb interaction must be modified to fit the situation.

Therefore, the sum of these energies can be represented by Brus equation:

${\displaystyle {\begin{aligned}E_{\textrm {confinement}}&={\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2a^{2}}}\left({\frac {1}{m_{\rm {e}}}}+{\frac {1}{m_{\rm {h}}}}\right)={\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2\mu a^{2}}}\\[6px]E_{\textrm {exciton}}&=-{\frac {1}{\varepsilon _{\rm {r}}^{2}}}{\frac {\mu }{m_{\rm {e}}}}R_{y}=-R_{y}^{*}\\[6px]E&=E_{\textrm {bandgap}}+E_{\textrm {การกักขัง}}+E_{\textrm {เอ็กซิตอน}}\\&=E_{\textrm {ช่องว่างพลังงาน}}+{\frac {\hbar ^{2}\pi ^{2}}{2\mu a^{2}}}-R_{y}^{*}\end{aligned}}}$

where μ is the reduced mass, a is the radius of the quantum dot, m_e is the free electron mass, m_h is the hole mass, and ε_r is the size-dependent dielectric constant.

Although the above equations were derived using simplifying assumptions, they imply that the electronic transitions of the quantum dots will depend on their size. These quantum confinement effects are apparent only below the critical size. Larger particles do not exhibit this effect. This effect of quantum confinement on the quantum dots has been repeatedly verified experimentally^[126] and is a key feature of many emerging electronic structures.^[127]

ปฏิสัมพันธ์คูลอมบ์ระหว่างตัวนำที่ถูกจำกัดสามารถศึกษาได้ด้วยวิธีการเชิงตัวเลขเมื่อแสวงหาผลลัพธ์ที่ไม่ถูกจำกัดด้วยการประมาณเชิงอะซิมโทติก^{[ 128 ]}

นอกจากการถูกจำกัดในทั้งสามมิติ (นั่นคือ จุดควอนตัม) แล้ว สารกึ่งตัวนำที่ถูกจำกัดด้วยควอนตัมอื่นๆ ได้แก่:

• ลวดควอนตัมซึ่งกักอิเล็กตรอนหรือโฮลไว้ในมิติเชิงพื้นที่สองมิติ และอนุญาตให้มีการแพร่กระจายอย่างอิสระในมิติที่สาม
• บ่อควอนตัมซึ่งกักขังอิเล็กตรอนหรือโฮลไว้ในมิติเดียว และอนุญาตให้เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในสองมิติ

มีกรอบทฤษฎีหลากหลายรูปแบบที่ใช้ในการจำลองคุณสมบัติทางแสง อิเล็กทรอนิกส์ และโครงสร้างของควอนตัมดอต ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทหลักๆ ได้แก่ กลศาสตร์ควอนตัม กึ่งคลาสสิก และคลาสสิก

แบบจำลองและการจำลองควอนตัมดอทมักเกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับศักยภาพเสมือนหรือ เมทริก ซ์สุ่ม^{[ 129 ]}

แบบจำลองกึ่งคลาสสิกของควอนตัมดอตมักจะรวมเอาศักยภาพทางเคมี ไว้ ด้วย ตัวอย่างเช่น ศักยภาพทางเคมีเชิงเทอร์โมไดนามิกของ ระบบอนุภาค Nตัว กำหนดโดย

${\displaystyle \mu (N)=E(N)-E(N-1)}$

ซึ่งสามารถหาค่าพลังงานได้จากคำตอบของสมการชโรดิงเกอร์ นิยามของความจุไฟฟ้า

${\displaystyle {\frac {1}{C}}\equiv {\frac {\Delta V}{\Delta Q}}}$

ด้วยความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

${\displaystyle \Delta V={\frac {\Delta \mu }{e}}={\frac {\mu (N+\Delta N)-\mu (N)}{e}}}$

อาจนำไปใช้กับควอนตัมดอทโดยการเพิ่มหรือลดอิเล็กตรอนแต่ละตัวได้

${\displaystyle \Delta N=1\quad {\text{และ}}\quad \Delta Q=e}$

แล้ว

${\displaystyle C(N)={\frac {e^{2}}{\mu (N+1)-\mu (N)}}={\frac {e^{2}}{I(N)-A(N)}}}$

คือความจุควอนตัมของจุดควอนตัม โดยที่เรากำหนดให้I ( N ) เป็น ศักยภาพการแตกตัวเป็นไอออน และA ( N )เป็นความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนของระบบอนุภาคN ตัว ^{[ 130 ]}

แบบจำลองคลาสสิกของคุณสมบัติทางไฟฟ้าสถิตของอิเล็กตรอนในควอนตัมดอตนั้น มีลักษณะคล้ายคลึงกับปัญหาของทอมสันเกี่ยวกับการกระจายอิเล็กตรอนอย่างเหมาะสมบนทรงกลมหน่วย

การบำบัดทางไฟฟ้าสถิตแบบคลาสสิกของอิเล็กตรอนที่ถูกจำกัดอยู่ในควอนตัมดอตทรงกลมนั้นคล้ายคลึงกับการบำบัดในแบบจำลองอะตอมของ ทอมสัน ^{[ 131 ]}หรือแบบจำลองพุดดิ้งลูกพลัม^{[ 132 ]}

The classical treatment of both two-dimensional and three-dimensional quantum dots exhibit electron shell-filling behavior. A "periodic table of classical artificial atoms" has been described for two-dimensional quantum dots.^[133] As well, several connections have been reported between the three-dimensional Thomson problem and electron shell-filling patterns found in naturally occurring atoms found throughout the periodic table.^[134] This latter work originated in classical electrostatic modeling of electrons in a spherical quantum dot represented by an ideal dielectric sphere.^[135]

For thousands of years, glassmakers were able to make colored glass by adding different dusts and powdered elements such as silver, gold and cadmium and then used different temperatures to produce shades of glass. In the 19th century, scientists started to understand how glass color depended on elements and heating-cooling techniques. It was also found that for the same element and preparation, the color depended on the dust particles' size.^[136][137]

Herbert Fröhlich in the 1930s first explored the idea that material properties can depend on the macroscopic dimensions of a small particle due to quantum size effects.^[138]

The first quantum dots were synthesized in a glass matrix by Alexei A. Onushchenko and Alexey Ekimov in 1981 at the Vavilov State Optical Institute^{[139][140][141][142]} and independently in colloidal suspension^[143] by Louis E. Brus team at Bell Labs in 1983.^[144][145] They were first theorized by Alexander Efros in 1982.^[146] It was quickly identified that the optical changes that appeared for very small particles were due to quantum mechanical effects.^[136]

The term quantum dot first appeared in a paper first authored by Mark Reed in 1986.^[147] According to Brus, the term "quantum dot" was coined by Daniel S. Chemla while they were working at Bell Labs.^[148]

ในปี พ.ศ. 2536 David J. Norris, Christopher B. MurrayและMoungi Bawendiจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้รายงานเกี่ยวกับวิธีการสังเคราะห์แบบฉีดร้อนเพื่อผลิตควอนตัมดอทที่ทำซ้ำได้ มีขนาดที่กำหนดไว้อย่างดี และมีคุณภาพทางแสงสูง วิธีการนี้เปิดประตูสู่การพัฒนาการประยุกต์ใช้ทางเทคโนโลยีขนาดใหญ่ของควอนตัมดอทในหลากหลายสาขา^{[ 149 ] [ 136 ]}

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 ได้รับการมอบให้แก่Moungi Bawendi , Louis E. BrusและAlexey Ekimov "สำหรับการค้นพบและการสังเคราะห์ควอนตัมดอท" ^{[ 150 ]}

• ควอนตัมดอท: สถานะทางเทคนิคและแนวโน้มตลาด
• จุดควอนตัมที่ให้แสงสีขาวอาจเป็นสิ่งที่จะมาแทนที่หลอดไฟ
• คุณสมบัติทางแสงของควอนตัมดอทเดี่ยว
• จุดควอนตัมบน arxiv.org
• ข้อมูลการวิจัยและข้อมูลทางเทคนิคเกี่ยวกับควอนตัมดอท
• การจำลองและการแสดงภาพแบบโต้ตอบของฟังก์ชันคลื่นของควอนตัมดอท