รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 มอบให้แก่การค้นพบและการพัฒนาควอนตัมดอต คณะกรรมการโนเบลกล่าวว่า “ควอนตัมดอตกำลังนำมาซึ่งประโยชน์มหาศาลแก่มนุษยชาติ และการสำรวจศักยภาพของพวกมันเพิ่งเริ่มต้นขึ้นเท่านั้น รางวัลนี้ไม่เพียงแต่แสดงถึงการยอมรับสูงสุดของการวิจัยควอนตัมดอต แต่ยังเน้นย้ำถึงศักยภาพอันมหาศาลในด้านต่างๆ เช่น แสงสว่างในจอแสดงผล ตัวเร่งปฏิกิริยาพลังงาน ชีวการแพทย์ และเทคโนโลยีควอนตัม” รายงานพิเศษฉบับนี้มุ่งเน้นไปที่ควอนตัมดอตซิลิคอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบที่กระจายตัวอยู่ในตัวทำละลาย โดยนำเสนอความก้าวหน้าของการวิจัยอย่างเป็นระบบในวิธีการสังเคราะห์ คุณสมบัติเชิงโครงสร้าง และคุณสมบัติทางแสง ตลอดจนการประยุกต์ใช้ในไดโอดเปล่งแสง (นำ) ที่ผลิตด้วยกระบวนการแบบสารละลาย
ควอนตัมดอตเป็นผลึกนาโนเซมิคอนดักเตอร์ที่มีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตร ควอนตัมดอตแบบคอลลอยด์มีข้อดีเฉพาะตัวหลายประการ ได้แก่ สามารถปรับขนาดการเปล่งแสงสีเต็มรูปแบบได้โดยกระบวนการที่ไม่ใช้สุญญากาศ ประสิทธิภาพควอนตัมของการเปล่งแสงสามารถเข้าใกล้ 100% มีแถบความกว้างของการเปล่งแสงแคบ 20-40 นาโนเมตร โดยมีขอบเขตสีที่กว้างกว่าไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ถึงสามถึงสี่เท่า และสามารถเตรียมได้ที่อุณหภูมิห้องโดยใช้วิธีการละลายที่อุณหภูมิต่ำ ด้วยคุณลักษณะเหล่านี้ โครงสร้างแบบแกนและเปลือกที่มีการควบคุมทางวิศวกรรมของช่องว่างแถบแคบจึงได้รับการพัฒนาขึ้น และผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ เช่น โทรทัศน์ควอนตัมดอต ก็ได้รับการพัฒนาสำเร็จแล้ว ในอนาคต คาดว่าควอนตัมดอตจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา นำ ขนาดเล็ก นำ ขนาดไมครอน และเทคโนโลยี นำ ควอนตัมดอต และขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีรุ่นใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงแสงที่เน้นมนุษย์เป็นศูนย์กลาง เช่น อุปกรณ์สวมใส่ที่ยืดหยุ่นได้ ด้วยแรงผลักดันจากกระแสเทคโนโลยีนี้ คาดการณ์ว่าตลาดควอนตัมดอททั่วโลกจะยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่องในอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (อัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR)) ที่ 9.47%
อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมดอทอย่างแพร่หลายยังคงเผชิญกับความท้าทายหลักสามประการ: ประการแรก การจัดหาวัตถุดิบทำได้ยากและอาจก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ปัจจุบัน ควอนตัมดอทที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุโลหะหนัก เช่น อินเดียมซึ่งเป็นโลหะหายาก และแคดเมียมและตะกั่วซึ่งเป็นโลหะมีพิษ ในทางตรงกันข้าม ควอนตัมดอทซิลิคอนแบบคอลลอยด์และวัสดุนาโนของพวกมันปราศจากโลหะหนักและฮาโลเจนโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับจอแสดงผลรุ่นใหม่ที่ยั่งยืน แสงสว่างแบบโซลิดสเตท การถ่ายภาพทางการแพทย์ และแม้แต่สาขาควอนตัมที่ล้ำสมัย ประการที่สอง จำเป็นต้องเอาชนะข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของควอนตัมดอทอย่างเร่งด่วน แม้ว่าควอนตัมดอทที่ใช้แคดเมียมและเพอร์รอฟสไกต์จะบรรลุผลผลิตควอนตัมเกือบ 100% แล้ว แต่ระบบที่ปราศจากโลหะหนักยังคงล้าหลังมานานเนื่องจากข้อบกพร่องบนพื้นผิวและการเคลือบป้องกันที่ไม่สมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยล่าสุดได้เพิ่มผลผลิตควอนตัมของควอนตัมดอทซิลิคอนให้สูงกว่า 70% แล้ว ประการที่สาม วิธีการสังเคราะห์ที่มีอยู่จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงให้ง่ายขึ้นอย่างเร่งด่วน วิธีการฉีดร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายนั้น จำเป็นต้องฉีดสารตั้งต้นเข้าไปในตัวทำละลายที่มีอุณหภูมิสูงอย่างรวดเร็วเพื่อกระตุ้นการเกิดนิวเคลียส ซึ่งทำให้ต้องมีการควบคุมอุณหภูมิ บรรยากาศเฉื่อย และอุปกรณ์เฉพาะทางอย่างเข้มงวด ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตในระดับใหญ่สูง ที่สำคัญกว่านั้น ปัจจุบันยังไม่มีสารตั้งต้นหรือตัวทำละลายที่เหมาะสมใดๆ ที่สามารถสังเคราะห์ควอนตัมดอตซิลิคอนที่มีทั้งผลึกสูงและคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยมโดยใช้วิธีการฉีดร้อนได้
ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ทีมวิจัยได้พัฒนาความก้าวหน้าครั้งสำคัญหลายประการในการวิจัยควอนตัมดอทซิลิคอนอย่างเป็นระบบ ได้แก่ การเปล่งแสงสามสีและการเปล่งแสงสีขาวอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาไดโอดควอนตัมดอทซิลิคอนที่เปล่งแสงสีฟ้าเป็นครั้งแรก การพัฒนากระบวนการสังเคราะห์ต้นทุนต่ำที่ช่วยลดต้นทุนการผลิตลงหลายร้อยถึงหลายพันเท่า การเตรียมไดโอดควอนตัมดอทซิลิคอนที่ยั่งยืนโดยใช้เปลือกข้าว การได้มาซึ่งควอนตัมดอทซิลิคอนที่มีผลผลิตควอนตัมประมาณ 80% และมีโครงสร้างผลึกที่ชัดเจน การผลิตฟิล์มบางสามสีแดง เขียว และน้ำเงินที่ทนทาน การสร้างอุปกรณ์ไดโอดเปล่งแสงที่มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกเกิน 10% และการสร้างสถิติประสิทธิภาพสี่รายการ
เคนอิจิ ไซโตว์ และคณะ จากมหาวิทยาลัยฮิโรชิม่า ประเทศญี่ปุ่น ได้สรุปวิธีการสังเคราะห์ ลักษณะโครงสร้าง และคุณสมบัติทางแสงของควอนตัมดอตซิลิคอนที่มีผลึกสูง โดยมีประสิทธิภาพควอนตัมสูงถึง 80% ในรายงานพิเศษฉบับหนึ่ง หลังจากที่ได้กล่าวถึงข้อดีของควอนตัมดอตซิลิคอนแล้ว ประเด็นสำคัญจะเปลี่ยนไปที่วิธีการสังเคราะห์ควอนตัมดอตซิลิคอนแบบคอลลอยด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีการใช้พอลิเมอร์ไฮโดรเจนซิลเซสควิออกเซน วิธีนี้ไม่จำเป็นต้องใช้ขั้นตอนการฉีดสารตั้งต้นที่ร้อน และสามารถดำเนินการได้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิห้องที่ไม่รุนแรง หลีกเลี่ยงข้อกำหนดในการฉีดสารตั้งต้นอย่างรวดเร็วและขั้นตอนการทำงานที่เข้มงวด ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการทดลองและอำนวยความสะดวกในการผลิตในปริมาณมาก วัสดุที่ได้จากไฮโดรเจนซิลเซสควิออกเซนที่เตรียมขึ้นตามวิธีการสังเคราะห์นี้ แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จที่ทำลายสถิติในไดโอดเปล่งแสงควอนตัมดอตซิลิคอนในตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลักสี่ประการ
