รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 มอบให้กับการค้นพบและพัฒนาควอนตัมดอท คณะกรรมการโนเบลกล่าวว่า "ควอนตัมดอทกำลังสร้างประโยชน์สูงสุดแก่มนุษยชาติ และการสำรวจศักยภาพของควอนตัมดอทเพิ่งเริ่มต้นขึ้นเท่านั้น ว๊าวววว รางวัลนี้ไม่เพียงแต่เป็นการยอมรับอย่างสูงสุดในการวิจัยควอนตัมดอทเท่านั้น แต่ยังเน้นย้ำถึงศักยภาพอันมหาศาลของควอนตัมดอทในสาขาต่างๆ เช่น การให้แสงสว่างบนจอภาพ การเร่งปฏิกิริยาพลังงาน ชีวการแพทย์ และเทคโนโลยีควอนตัม รายงานพิเศษฉบับนี้มุ่งเน้นไปที่ควอนตัมดอทซิลิคอน โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบกระจายตัวของตัวทำละลาย โดยนำเสนอความก้าวหน้าทางการวิจัยอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับวิธีการสังเคราะห์ คุณสมบัติเชิงโครงสร้าง และคุณสมบัติทางแสง รวมถึงการประยุกต์ใช้ในไดโอดเปล่งแสง (นำ) ที่ผ่านกระบวนการด้วยสารละลาย
ควอนตัมดอทคือผลึกนาโนสารกึ่งตัวนำที่มีขนาดเพียงไม่กี่นาโนเมตร ควอนตัมดอทคอลลอยด์มีข้อได้เปรียบเฉพาะตัวหลายประการ ได้แก่ การเปล่งแสงสีเต็มรูปแบบที่ปรับขนาดได้ซึ่งทำได้ผ่านกระบวนการที่ไม่ใช่สุญญากาศ ผลผลิตควอนตัมจากการเรืองแสงของแสงสามารถเข้าใกล้ 100% มีแบนด์วิดท์การเปล่งแสงแคบเพียง 20-40 นาโนเมตร โดยมีขอบเขตสีสามถึงสี่เท่าของไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ และสามารถเตรียมได้ที่อุณหภูมิห้องโดยใช้วิธีการแก้ปัญหาที่อุณหภูมิต่ำ ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ โครงสร้างแกนกลาง-เปลือกที่มีการควบคุมทางวิศวกรรมแบบแบนด์แก๊ปแคบจึงเกิดขึ้นจริง และผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ เช่น โทรทัศน์ควอนตัมดอทก็ได้รับการพัฒนาจนประสบความสำเร็จ ในอนาคต ควอนตัมดอทคาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนา นำ ขนาดเล็ก นำ ขนาดไมครอน และเทคโนโลยี นำ ควอนตัมดอท และผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยียุคใหม่สำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เน้นมนุษย์เป็นศูนย์กลาง เช่น อุปกรณ์สวมใส่แบบยืดหยุ่น จากกระแสเทคโนโลยีดังกล่าว ตลาดควอนตัมดอตทั่วโลกคาดว่าจะขยายตัวต่อไปที่อัตรา อัตราเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) 9.47%
อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมดอทอย่างแพร่หลายยังคงเผชิญกับความท้าทายสำคัญสามประการ ประการแรก การจัดหาวัตถุดิบเป็นเรื่องยากและอาจมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย ปัจจุบันควอนตัมดอทที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุโลหะหนัก เช่น อินเดียมโลหะหายาก และแคดเมียมและตะกั่วโลหะที่เป็นพิษ ในทางตรงกันข้าม ควอนตัมดอทซิลิคอนคอลลอยด์และวัสดุนาโนของควอนตัมดอทปราศจากโลหะหนักและฮาโลเจนโดยเนื้อแท้ จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับจอแสดงผลรุ่นใหม่ที่ยั่งยืน ระบบไฟส่องสว่างแบบโซลิดสเตต การถ่ายภาพทางชีวการแพทย์ และแม้แต่สนามควอนตัมที่ทันสมัย ประการที่สอง ปัญหาคอขวดด้านประสิทธิภาพของควอนตัมดอทจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขอย่างเร่งด่วน แม้ว่าควอนตัมดอทที่ใช้แคดเมียมและเพอรอฟสไกต์จะให้ผลผลิตควอนตัมเกือบ 100% แต่ระบบที่ปราศจากโลหะหนักกลับล้าหลังมานานเนื่องจากข้อบกพร่องบนพื้นผิวและการเกิดพาสซีฟที่ไม่สมบูรณ์ งานวิจัยล่าสุดที่น่ายินดีได้เพิ่มผลผลิตควอนตัมดอทซิลิคอนเป็นมากกว่า 70% ประการที่สาม วิธีการสังเคราะห์ที่มีอยู่ในปัจจุบันจำเป็นต้องลดความซับซ้อนลงอย่างเร่งด่วน วิธีการฉีดร้อนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายจำเป็นต้องฉีดสารตั้งต้นเข้าไปในตัวทำละลายอุณหภูมิสูงอย่างรวดเร็วเพื่อกระตุ้นการเกิดนิวเคลียส ซึ่งทำให้ต้องมีการควบคุมอุณหภูมิ บรรยากาศเฉื่อย และอุปกรณ์เฉพาะทางอย่างเข้มงวด ส่งผลให้ต้นทุนการผลิตขนาดใหญ่สูง ที่สำคัญยิ่งกว่านั้น ปัจจุบันยังไม่มีสารตั้งต้นหรือตัวทำละลายที่เหมาะสมที่สามารถสังเคราะห์จุดควอนตัมซิลิคอนที่มีทั้งความเป็นผลึกสูงและคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยมโดยใช้วิธีการฉีดร้อน
ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ทีมวิจัยได้ก้าวหน้าไปสู่ความสำเร็จที่สำคัญหลายประการในด้านการวิจัยจุดควอนตัมซิลิคอนอย่างเป็นระบบ ได้แก่ การบรรลุการปล่อยแสงสามสีและการเปล่งแสงขาวอย่างต่อเนื่อง การพัฒนาไดโอดจุดควอนตัมซิลิคอนที่เปล่งแสงสีฟ้าเป็นตัวแรก การพัฒนาวิธีการสังเคราะห์ต้นทุนต่ำที่ลดต้นทุนการผลิตได้หลายร้อยถึงหลายพันเท่า การเตรียมไดโอดจุดควอนตัมซิลิคอนที่ยั่งยืนโดยใช้แกลบข้าว การได้รับจุดควอนตัมซิลิคอนที่มีผลผลิตควอนตัมประมาณ 80% และความเป็นผลึกที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน การผลิตฟิล์มบางสามสีแดง เขียว และน้ำเงินที่ทนทาน การบรรลุอุปกรณ์ไดโอดเปล่งแสงที่มีประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกเกิน 10% และการสร้างสถิติประสิทธิภาพสี่รายการ
เคน-อิจิ ไซโตว และคณะ จากมหาวิทยาลัยฮิโรชิมา ประเทศญี่ปุ่น ได้สรุปวิธีการสังเคราะห์ ลักษณะโครงสร้าง และคุณสมบัติทางแสงฟิสิกส์ของจุดควอนตัมซิลิคอนผลึกสูงที่ให้ผลผลิตควอนตัมสูงถึง 80% ไว้ในรายงานพิเศษ หลังจากสรุปข้อดีของจุดควอนตัมซิลิคอนแล้ว ประเด็นสำคัญจึงเปลี่ยนไปที่กระบวนการสังเคราะห์จุดควอนตัมซิลิคอนคอลลอยด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งวิธีโพลิเมอร์ไฮโดรเจนซิลเซสควิออกเซน วิธีการนี้ช่วยลดความจำเป็นในการฉีดแบบร้อน และสามารถดำเนินการได้ภายใต้สภาวะอุณหภูมิห้องที่อ่อน หลีกเลี่ยงข้อกำหนดในการฉีดสารตั้งต้นอย่างรวดเร็วและขั้นตอนการปฏิบัติงานที่เข้มงวด ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการทดลองและอำนวยความสะดวกในการผลิตขนาดใหญ่ วัสดุที่ได้จากไฮโดรเจนซิลเซสควิออกเซนที่เตรียมขึ้นจากกระบวนการสังเคราะห์นี้ แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จที่ทำลายสถิติในไดโอดเปล่งแสงจุดควอนตัมซิลิคอนในสี่ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก