ควอนตัมดอต

ควอนตัมดอต (อังกฤษ: quantum dot) เป็นศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาวัสดุที่ มีโครงสร้างในระดับนาโนเมตรในทุกมิติ หรือ กล่าวอีกในหนึ่งคือ เทคโนโลยี ศูนย์ มิติ (Zero dimension nanotechnology) มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ บางครั้งก็ถูกเรียกว่า ผลึกนาโน (nanocrystals) ประกอบขึ้นจากธาตุ หมู่ สอง-หก (II-VI) , สาม-ห้า (III-V) , และ สี่-หก (IV-VI) ใน ตารางธาตุของเพอริออดิก (periodic table) วัสดุเหล่านี้ได้นำไปใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็คโทรนิก เช่น วงจรในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ เป็นต้น จุดเด่นของ ควอนตัมดอต คือ มีขนาดเล็กมาก โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ระหว่าง 2-10 นาโนเมตร หรือ 10-50 อะตอม นอกจากนั้นการนำไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการกระตุ้นภายนอก เช่น ความต่างศักย์ และ ฟรักซ์ ของ โฟตอน (photon flux) หรือ จำนวนโฟตอนต่อเวลาต่อพื้นที่ เป็นต้น

ยกตัวอย่างเช่น แคดเมียมซีลีไนด์ (CdSe)

โดยปกติ โลหะแคดเมียมเป็นตัวนำไฟฟ้า แต่ ซีลีเนียมไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ แต่เมื่อนำโลหะสองชนิดมารวมกัน บวกกับการกระตุ้นจากภายนอก แคดเมียมซีลีไนด์ สามารถนำไฟฟ้าได้

แบนด์แกปของควอนตัมดอต

เมื่อได้รับการกระตุ้นจากภายนอกอย่างมีประสิทธิภาพเพียงพอ สามารถทำให้อิเล็กตรอนกระโดดจากชั้นนอกสุดที่มีอิเล็กตรอนอยู่ หรือ เวเลนซ์ แบนด์ (valence band) ไปสู่ชั้นวางเปล่าที่เรียกว่า คอนดัคชัน แบนด์ (conduction band) ทำให้เกิดหลุมบวก (positively charged hole) ใน เวเลนซ์ แบนด์ และมีจำนวนอิเล็กตรอนเพิ่มมากขึ้นใน คอนดัคชัน แบนด์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า เอกซิตอน (exciton) และระยะห่างระหว่าง หลุมบวก และ อิเล็กตรอน เรียกว่า รัศมี เอกซิตอน บอร์ห (exciton bohr radius) โดยระยะห่างอันนี้จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของ ควอนตัมดอต ระดับพลังงานในวัสดุชนิดนี้ไม่ต่อเนื่อง แต่จะอยู่เป็นชั้นๆ (discrete) และระยะห่างของระดับพลังงานน้อยที่สุดที่เป็นไปได้ ถูกกำหนดโดยการกีดกันทางควอนตัม (quantum confinement)

การปรับเปลี่ยนระดับพลังงานของ ควอนตัมดอต

การเพิ่มขึ้นหรือการหายไปของอะตอมใน ควอนตัมดอต จะส่งผลต่อระยะห่างระหว่างระดับพลังงานและในที่สุดจะส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุ เช่น ถ้าแบนด์แกป (band gaps) มีขนาดกว้างขึ้น การดูกลืนแสงในช่วงระดับพลังงานมากขึ้น หรือ ในช่วงความยาวคลื่นสั้นลง (blue shift) ในทางตรงกันข้าม จะเกิดการดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลืนที่ยาวขึ้น (red shift)