ควอนตัมดอต

ควอนตัมดอต () เป็นวัสดุที่มีขนาดเล็กมากเพียงไม่กี่นาโนเมตร ประกอบขึ้นจากอนุภาคของสารกึ่งตัวนำ และเนื่องจากขนาดดังกล่าว วัสดุชนิดนี้จึงมีคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างจากสารที่มีอนุภาคขนาดใหญ่ ควอนตัมดอตสามารถเปล่งแสงที่มีความถี่เฉพาะหากได้รับกระแสไฟฟ้า หรือ มีแสงมาตกกระทบ นอกจากนั้นการเปลี่ยนขนาด รูปร่าง และชนิดของสสาร ยังสามารถเปลี่ยนความถี่ของแสงที่ออกมาได้อย่างแม่นยำ จึงทำให้เทคโนโลยีดังกล่าวสามารถถูกนำไปประยุกตใช้ได้อย่างมากมาย

ในภาษาของวิชาวัสดุศาสตร์ วัสดุซึ่งทำมาจากสารกึ่งตัวนำที่มีหน่วยเป็นนาโนเมตร จะจำกัดขอบเขตการกระจายของอิเล็กตรอนไว้อย่างเหนียวแน่น หรือ สร้างพื้นที่ที่อิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าไปได้ () ในบางครั้งควอนตัมดอตจะถูกเรียกว่า อะตอมเทียม ซึ่งเป็นคำศัพท์ที่เน้นให้เห็นว่า ควอนตัมดอตเป็นวัตถุเดี่ยวซึ่งมีอิเล็กตรอนที่มีสถานะจำกัดขอบเขต และไม่ต่อเนื่อง เช่นเดียวกับอะตอมหรือโมเลกุลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ

ศาสตร์ที่ว่าด้วยการศึกษาวัสดุที่ 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

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)

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

มีหลายวิธีที่จะกระตุ้นสารกึ่งตัวนำ ทำให้มีหลายวิธีที่จะผลิตควอนตัมดอท โดยทั่วไป เส้นควอนตัม ควอนตัมเวล และควอนตัมดอทจะเพิ่มขึ้นด้วยเทคนิคอีพิแทกเชียล ในการผลิตผลึกนาโนโดยวิธีทางเคมี หรือโดยการถ่ายเทไอออน หรือในการแบ่งระดับนาโนโดยเทคนิคลิโทกราฟิก
ผลึกนาโนของสารกึ่งตัวนำที่เป็นคอลลอยด์สังเคราะห์ขึ้นโดยสารเริ่มต้นที่ละลายในสารละลายเช่นเดียวกับกระบวนการทางเคมีทั่วไป การสังเคราะห์ควอนตัมดอทแบบคอลลอยด์มีพื้นฐานจากองค์ประกอบหลัก 3 ประการคือ สารเริ่มต้น สารลดแรงตึงผิวอินทรีย์ และตัวทำละลาย เมื่อให้ความร้อนแก่ปฏิกิริยาจนได้อุณหภูมิสูงเพียงพอ สารเริ่มต้นจะเปลี่ยนรูปทางเคมีไปเป็นโมโนเมอร์ เมื่อโมโนเมอร์เกิดการอิ่มตัวยวดยิ่งจนถึงระดับที่เพียงพอจะเริ่มเกิดผลึกนาโน โดยมีกระบวนการก่อนิวเคลียส อุณหภูมิระหว่างการเติบโตเป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่ง ในการหาสภาวะที่เหมาะสมสำหรับการเติบโต ของผลึกนาโน ซึ่งควรจะสูงเพียงพอสำหรับการจัดตัวใหม่และการคลายตัวของอะตอมระหวางกระบวนการสังเคราะห์ ซึ่งควรจะต่ำจนเพียงพอที่จะสนับสนุนการเติบโตของผลึก ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งที่ต้องควบคุมระหว่างการเติบโตของผลึกคือความเข้มข้นของโมโนเมอร์ กระบวนการเติบโตของผลึกนาโนจะเกิดขึ้นได้สองแบบคือแบบเน้นและแบบไม่เน้น ความเข้มข้นของโมโนเมอร์ที่สูง ขนาดวิกฤต (ขนาดที่ผลึกนาโนจะไม่มีการเติบโต)จะเล็กมาก ทำให้มีการเติบโตของอนุภาคทั้งหมด ในระบบนี้ อนุภาคที่เล็กกว่าจะเติบโตได้เร็วกว่าอันที่ใหญ่กว่า ทำให้มีการเน้นที่การกระจายตัวของขนาดต่อผลที่ได้จนเกือบจะเป็นอนุภาคที่มีการกระจายตัวแบบเดียว การเน้นที่ขนาดจะเหมาะสมเมื่อความเข้มข้นของโมโนเมอร์คงที่ เช่น ค่าเฉลี่ยของขนาดผลึกนาโนที่ปรากฏจะใหญ่กว่าขนาดวิกฤติเล็กน้อย เมื่อความเข้มข้นของโมโนเมอร์หมดลงระหว่างการเติบโต ขนาดวิกฤติจะใหญ่กว่าขนาดเฉลี่ยที่ปรากฏทำให้เกิดการกระจายตัวแบบไม่เน้น

มีวิธีทางคอลลอยด์ที่ใช้ผลิตสารกึ่งตัวนำหลายชนิด ดอทแบบมาตรฐานจะสร้างมาจากอัลลอยด์สองส่วนผสมเช่น แคดเมียมเซลาไนด์ แคดเมียมซัลไฟด์ อินเดียมอาร์เซไนด์ และอินเดียมฟอสไฟด์ ดอทอาจจะสร้างจากอัลลอยด์สามส่วนผสมเช่นแคดเมียมเซลาไนด์ซัลไฟด์ ควอนตัมดอทเหล่านี้จะประกอบด้วยอะตอมระหว่าง 100 – 100,000 อะตอม ภายในปริมาตรของควอนตัมดอท โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 – 50 อะตอม ซึ่งมีขนาดประมาณ 2-10 nm และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 nm จะมีควอนตัมดอทเกือบ 3 ล้านที่จะอัดแน่นในช่วงว่างเท่านิ้วโป้งของคน ควอนตัมดอทขนาดใหญ่สามารถผลิตได้โดยการสังเคราะห์แบบคอลลอยด์ ซึ่งเป็นวิธีที่เหมาะสมที่จะนำไปใช้ทางการค้า และมีความเป็นพิษน้อยกว่าวิธีอื่น

ควอนตัมดอทแบบรวบรวมตนเองโดยทั่วไปมีขนาด 5-50 nm ควอนตัมดอทกำหนดโดยอิเล็กโทรดแบบลิโทกราฟิกหรือโดยการฉีดอิเล็กตรอนในรูปแก๊สสองมิติในสารกึ่งตัวนำที่มีรูปร่างต่างๆกัน ทำให้ขยายด้านข้างให้ถึง 100 nm ควอนตัมดอทบางชนิดเป็นพื้นที่เล็กๆของวัสดุหนึ่งที่จับกับช่องว่างระหว่างแถบที่ขนาดใหญ่กว่า ซึ่งอาจเรียกได้ว่าโครงสร้างแบบแกน-เปลือก เช่น CdSe ที่ศูนย์กลางและ ZnS ที่เปลือกหรือโครงสร้างพิเศษของซิลิกาที่เรียกออสโมซีล ควอนตัมดอทบางชนิดเกิดได้เองในโครงสร้างควอนตัมเวล เนื่องจากเกิดโครงสร้างเป็นชั้นภายในควอนตัมเวล

ควอนตัมดอทแบบรวบรวมตนเองเกิดขึ้นได้เองภายใต้สภาวะที่แน่นอนในอีพิแทกซีแบบกระแสโมเลกุลหรืออีพิแทกซีแบบไอของโลหะอินทรีย์ เมื่อวัสดุเติบโตบนสารตั้งต้น แบบนี้จะได้โครงสร้างเป็นเกาะที่ด้านบนของพื้นที่เปียกสองชั้น การเติบโตนี้เรียกการเติบโตแบบสเตรนกี-กราสตานอฟ เกาะนี้ต่อไปจะพัฒนาเป็นควอนตัมดอทได้ วิธีการประดิษฐ์นี้มีศักยภาพสำหรับการนำไปใช้ แต่ข้อจำกัดคือต้นทุนของการประดิษฐ์และการควบคุมที่แต่ละจุด

ควอนตัมดอทแต่ละอันอาจจะสร้างจากอิเล็กตรอนสองมิติหรือช่องว่างที่เกิดขึ้นในควอนตัมเวล หรือโครงสร้างที่ต่างกันของสารกึ่งตัวนำที่เรียกควอนตัมดอทด้านข้าง ผิวของตัวอย่างถูกเคลือบด้วยชั้นบางๆ รูปแบบที่สามารถเปลี่ยนไปเป็นอิเล้กตรอนหรือช่องว่างได้โดยการตกตะกอนซึ่งสามารถทำให้ใช้ความต่างศักย์จากภายนอกระหว่างแก๊สของอิเล็กตรอนและอิเล็กโทรด ควอนตัมดอทเป็นที่สนใจในเชิงการทดลองและการประยุกต์ใช้ที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งอิเล็กตรอนหรือช่องว่าง เช่นกระแสอิเล็กตรอน พลังงานสเปกตรัมของควอนตัมดอทสามารถดัดแปลงได้โดยการควบคุมขนาด รูปร่างและความเข้มโดยใช้ชั้นของศักยภาพ ในทางตรงกันข้ามกับอะตอม ง่ายที่จะเชื่อมต่อควอนตัมดอทโดยการปรับตัวกั้นขวางทางไฟฟ้าที่จะยอมให้เทคนิคของการปรับสเปกโทรสโคปีในการค้นหา

การดูดกลืนควอนตัมดอทเกี่ยวข้องกับการส่งผ่านระหว่างอนุภาคสามทิศทางในกล่องขนาดนาโนเมตรในแง่ของอิเล็กตรอนและช่องว่าง ในอนุภาคขนาดนาโนเมตร ซึ่งทำให้ควอนตัมดอทกลายเป็นอะตอมเทียม ขีดขั้นในควอนตัมดอทเพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่มศักย์ทางอิเล้กโทรสเตติก

เทคโนโลยี CMOS นำมาใช้ในการประดิษฐ์ซิลิคอนควอนตัมดอทขนาดที่เล็กมาก ทรานซิสเตอร์ CMOS ทำหน้าที่เป็นควอนตัมดอทอิเล็กตรอนเดี่ยวที่จะทำงานที่อุณหภูมิเย็นกว่า -269 องศาเซลเซียสจนถึง -258 องศาเซลเซียส ทรานซิสเตอร์จะเป็นตัวบล็อกคูลอมบ์ เพราะการส่งประจุระหว่างอิเล็กตรอนแบบหนึ่งต่อหนึ่ง จำนวนของอิเล็กตรอนในช่องจะถูกขับเคลื่อนด้วยศักย์ไฟฟ้า เริ่มจากการยึดครองอิเล็กตรอนที่ศูนย์และกลายเป็นหนึ่งหรือมากกว่า
มีรายงานการใช้แบคเทอริโอฝาจ M13 ที่ดัดแปรพันธุกรรมเพื่อสร้างควอนตัมดอทที่มีโครงสร้างประกอบด้วยสิ่งมีชีวิต ภูมิหลังของงานนี้ ได้มีการแสดงว่าไวรัสที่ดัดแปรพันธุกรรม สามารถจดจำพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำเฉพาะได้ โดยผ่านวิธีการเลือกโดยการแสดงฝาจที่รวมตัวกัน และเป็นที่รู้กันดีว่าโครงสร้างผลึกในของเหลวของไวรัสสายพันธุ์ดั้งเดิมและสนามแม่เหล็กภายนอกได้ถูกนำมาใช้ในสารละลาย คุณสมบัติการจดจำที่จำเพาะของไวรัสสามารถใช้ในการจัดการผลิตนาโนอนินทรีย์ ทำให้เกิดการจัดเรียงตัวตามความยาวของฝาจโดยการเกิดผลึกในของเหลว โดยใช้ข้อมูลนี้สามารถสร้างฟิลม์ที่จัดตัวเอง เรียงตัวเองได้สูง และสนับสนุนตัวเองได้จากฝาจและสารละลายเริ่มต้นเป็น ZnS ระบบนี้ยอมให้มีการปรับความยาวของแบคเทอริโอฝาจ และชนิดของวัสดุอนินทรีย์โดยผ่านการดัดแปลงพันธุกรรมและการคัดเลือก

การจัดตัวเป็นลำดับอย่างสูงมากของควอนตัมดอทสามารถจัดตัวเองโดยเทคนิคทางเคมีไฟฟ้า แม่แบบออกแบบโดยปฏิกิริยาไอออนิกที่รอยต่อระหว่างอิเล็กโทรไลท์และโลหะ ที่ทำให้เกิดการรวมตัวเองของโครงสร้างระดับนาโน รวมทั้งควอนตัมดอทของโลหะที่ใช้เป็นหน้ากากของการยึดโครงสร้างนาโนบนสับสเตรทที่เลือก

การสร้างควอนตัมดอทอยู่บนกระบวนการที่เรียกว่าการฉีดคู่กับการใช้อุณหภูมิสูงที่สามารถทำได้ในหลายบริษัทสำหรับการนำไปใช้ทางการค้าที่ต้องการปริมาณมาก มีวิธีการผลิตที่ได้ผลซึ่งสามารถนำไปใช้ในขอบเขตที่กว้างทางด้านควอนตัมดอท วิธีที่มีการรายงานในการสร้างควอนตัมดอทปริมาณมากเกี่ยวข้องกับการผลิตอนุภาคนาโนจากสารเคมีเมื่อมีกลุ่มของโมเลกุล ภายใต้สภาวะที่คงที่ แต่ละโมเลกุลในกลุ่มของสารประกอบจะเป็นจุดเริ่มต้นของการเกาะ จนกว่าอนุภาคนาโนจะเติบโตจนสามารถเริ่มต้นได้ ขั้นตอนที่ใช้อุณหภูมิสูง ไม่จำเป็นในการเริ่มต้นของการเพิ่มอนุภาคนาโนเพราะขนาดของอนุภาคที่เหมาะสมจะได้มาจากการเหาะกลุ่มของโมเลกุล ข้อเสียของวิธีนี้คือต้องเพิ่มขั้นตอนของการสังเคราะห์กลุ่มโมเลกุลซึ่งใช้เวลานาน วิธีที่ใช้ความร้อนใช้เวลาน้อยกว่า ในปัจจุบัน บริษัทในสหรัฐและดัทช์ได้รายงานระยะทางในการผลิตควอนตัมดอทปริมาณมากในระดับโรงงานโดยการใช้เทคนิคที่ใช้อุณหภูมิสูงแบบดั้งเดิมเข้าสู่ระบบการไหล ในปี 2011 มีการใช้ควอนตัมดอทในระดับโรงงานมากขึ้น

ในหลายพื้นที่ของโลกมีข้อจำกัดห้ามใช้แคดเมียมหรือโลหะหนักในของใช้ในบ้านทุกชนิด ทำให้ควอนตัมดอทที่ใช้แคดเมียมไม่เหมาะสำหรับการผลิตเพื่อขายให้กับผู้บริโภค ด้วยข้อจำกัดนี้ ควอนตัมดอทที่ไม่ใช้โลหะหนักได้ถูกพัฒนาขึ้นโดยใช้สเปกตรัมในช่วงที่มองเห็นได้หรือช่วงแสงอินฟราเรด และมีคุณสมบัติคล้ายควอนตัมดอทของ CdSe แคดเมียมและโลหะหนักที่ถูกจำกัดการใช้อื่นๆเป็นหัวข้อที่ต้องคำนึงในเชิงการค้า ควอนตัมดอทที่จะเข้าสู่ตลาดจะต้องไม่มีแคดเมียมหรือโลหะที่จำกัดการใช้อื่นๆ ชนิดของควอนตัมดอทที่ไม่มีแคดเมียมแบบใหม่นำมาจากอนุภาคนาโนของฟอสฟอร์ในรูปคอลลอยด์ที่เพิ่มธาตุหายาก ที่ต่างจากอนุภาคนาโนของสารกึ่งตัวนำ การตื่นตัวทำได้โดยการดูดซับรังสีอุลตราไวโอเลตของวัสดุตั้งต้น ซึ่งเหมือนกับในวัสดุที่เมธาตุหายากชนิดอื่นๆ ทำให้มีช่องว่างของแถบพลังงานแคบกว่าควอนดัมดอทของ CdSe การสังเคราะห์ทำในของเหลวเพื่อลดข้อจำกัดของการละลายน้ำในการนำไปใช้ในสิ่งมีชีวิต พื้นผิวออกไซด์ง่ายสำหรับการทำงานเชิงเคมีมากกว่ารูปที่คงตัวทางเคมี ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย มีรายงานบางชิ้นแสดงว่าความกังวลเกี่ยวกับการใช้อนุภาคนาโนของฟอสฟอร์ในเป้าหมายที่เป็นสิ่งมีชีวิตและรูปภาพ

คุณลักษณะด้านการมองเห็นของควอนตัมดอทที่เป็นคอลลอยด์คือสี เมื่อวัสดุที่นำมาทำควอนตัมดอทมีพลังงาน ผลึกนาโนของควอนตัมจะมีขนาดที่ใกล้เคียงกับพลังงานในช่องว่างระหว่างแถบ ควอนตัมดอทของวัสดุเดียวกันแต่มีขนาดต่างกันจะให้สีต่างกัน เหตุผลทางฟิสิกส์คือผลจากขีดขั้นของพลังงาน ดอทที่มีขนาดใหญ่กว่ามีพลังงานต่ำกว่าจะให้สีแดง ดอทที่มีขนาดเล็กจะให้สีน้ำเงินและมีพลังงานสูงกว่า การเปลี่ยนสีจะมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับระดับพลังงานของควอนตัมดอท พลังงานระหว่างช่องว่างจะเป็นตัวกำหนดพลังงานและสี ที่สัมพันธ์กับขนาดของดอท ควอนตัมดอทขนาดใหญ่ที่มีระดับพลังงานสูงจะมีช่องว่างที่แคบ ทำให้ควอนตัมดอทดูดซับโฟตอนที่มีพลังงานต่ำช่วงที่สเปกตรัมใกล้สีแดง

ช่วงชีวิตของการเกิดฟลูออเรสเซนส์พิจารณาจากขนาดของควอนตัมดอท ดอทที่มีขนาดใหญ่จะมีระดับพลังงานที่ใกล้กันมาก ซึ่งคู่ของอิเล็กตรอนและช่องว่างจะถูกจับ คู่ของอิเล็กตรอนและช่องว่างในดอทขนาดใหญ่จะอยู่ได้นานกว่าจึงมีช่วงชีวิตที่ยาวกว่า เช่นเดียวกับผลึกของสารกึ่งตัวนำ คลื่นไฟฟ้าของควอนตัมดอทจะทำงานบนชั้นของผลึก คล้ายกับโมเลกุลที่ ควอนตัมดอทจะมีสเปกตรัมพลังงานและความเข้มของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ใกล้กับช่องว่างระหว่างแกบ ควอนตัมดอทสามารถสร้างได้จากเปลือกขนาดใหญ่หรือหนา ความหนาของเปลือกมีความสัมพันธ์โดยตรงกับคุณสมบัติทางสเปกโทรสโคปิกของอนุภาคเป็นช่วงชีวิตและปลดปล่อยความเข้ม แต่มีความเสถียรด้วย
ควอนตัมดอทมีความสำคัญในการใช้งานด้านการมองเห็น ในการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ นำไปใช้เป็นทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดียว เพราะมีผลกระทบคูลอมบ์ ควอนตัมดอทนำไปใช้ได้ทางด้านการประมวลผลข้อมูลเชิงควอนตัม ความสามารถในการเปลี่ยนขนาดของควอนตัมดอทเป็นข้อดีในการนำไปใช้งาน ควอนตัมดอทขนาดใหญ่จะมีการเปลี่ยนสเปกตรัมไปทางแดงมากกว่าดอทขนาดเล็ก และแสดงคุณลักษณะทางควอนตัมน้อยกว่า อนุภาคขนาดเล็กจะมีข้อดีในด้านมีผลกระทบควอนตัมมากกว่า ในทิศทางศูนย์ ควอนตัมดอทมีความเข้มที่คมของระยะมากกว่าโครงสร้างที่มีทิศทางสูงกว่า จึงมีการนำพลังที่สูงกว่าและคุณสมบัติต่อการมองเห็น และมีงานวิจัยเพื่อนำไปใช้เช่นเลเซอร์ไดโอด ตัวขยายสัญญาณ และเซนเซอร์ทางชีวภาพ ควอนตัมดอทจะตื่นตัวภายในสนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยอนุภาคนาโนของทอง ทำให้เห็นพลาสมอนเรโซแนนท์ ในสเปกตรัมของผลึกนาโน (CdSe)ZnS ได้ควอนตัมดอทที่มีคุณภาพสูง เหมาะสำหรับการมองเห็นและการใช้งานที่มีการปล่อยสเปกตรัมแคบๆ รูปแบบใหม่ของควอนตัมดอท มีศักยภาพในการเข้าถึงระยะไกลในการศึกษาเกี่ยวกับโครงสร้างภายในเซลล์ กระบวนการภายในเซลล์ระดับโมเลกุลเดียว ภาพถ่ายเซลล์ที่มีความละเอียดสูง การตรวจสอบในสิ่งมีชีวิตจริงระยะยาวในการสื่อสารระหว่างเซลล์ การเกิดเนื้องอกและการวินิจฉัย
เทคโนโลยีควอนตัมดอทเป็นคู่แข่งที่สำคัญของการคำนวณควอนตัม ในสถานะของแข็ง โดยการให้ความต่างศักย์เล็กน้อยชักนำการไหลของอิเล็กตรอนผ่านควอนตัมดอท จะถูกควบคุมได้อย่างแม่นยำ และคุณสมบัติอื่นๆสามารถสร้างขึ้นได้ การคำนวณทางควอนตัมและคอมพิวเตอร์สามารถทำให้เป็นไปได้

ในการวิเคราะห์ทางชีววิทยาสมัยใหม่ สีย้อมอินทรีย์หลายชนิดถูกนำมาใช้ อย่างไรก็ตาม เมื่อเวลาผ่านไป ต้องการความยืดหยุ่นในการใช้สีมากขึ้นซึ่งทำไม่ได้ในการใช้สีย้อมแบบดั้งเดิม จึงนำควอนตัมดอทเข้ามามีบทบาทในส่วนนี้ ซึ่งจะสามารถสังเกตความสว่างและความคงตัว โดยคาดว่าควอนตัมดอทจะสว่างกว่า 20 เท่าและคงตัวมากกว่า 100 เท่า เมื่อเทียบกับสีย้อมฟลูออเรสเซนต์แบบดั้งเดิม การใช้ควอนตัมดอทในการถ่ายภาพภายในเซลล์ ที่ต้องการความไวเป็นความก้าวหน้าหลัก การปรับปรุงความคงตัวของแสงของควอนตัมดอททำให้ถ่ายภาพสามมิติได้คมชัดยิ่งขึ้น การใช้งานอีกอย่างหนึ่งคือการติดตามในช่วงเวลาจริงของโมเลกุลและเซลล์ในช่วงเวลาหนึ่ง แอนติบอดี สเตรปตาวิดิน เปบไทด์ กรดนิวคลีอิก หรือมือจับโมเลกุลขนาดเล็ก สามารถใช้เป็นเป้าหมายของควอนตัมดอทในการจับกับโปรตีนเฉพาะชนิดภายในเซลล์ นักวิจัยสามารถศึกษาควอนตัมดอทในต่อมน้ำเหลืองของหนูเป็นเวลานานกว่า 4 เดือน

ควอนตัมดอทของสารกึ่งตัวนำได้นำมาใช้ในการถ่ายภาพในหลอดทดลองในเซลล์ ความสามารถในการถ่ายการเคลื่อนที่ของเซลล์เดี่ยวในเวลาจริงคาดว่าจะมีความสำคัญในงานวิจัยหลายด้านเช่น วิทยาเอ็มบริโอ มะเร็ง การบำบัดด้วยสเตมเซลล์ และระบบภูมิคุ้มกัน นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์ว่าควอนตัมดอทให้ผลดีกว่าวิธีที่มีอยู่เกี่ยวกับการทำให้ยีนหลับ เช่นการใส่ SiRNA เข้าสู่เซลล์ ความพยายามแรกคือพยายามใช้ควอนตัมดอทสำหรับการติดตามเนื้องอกในสภาพสิ่งมีชีวิตจริง เพื่อหาความแตกต่างระหว่างเป้าหมายที่ทำงานกับเป้าหมายที่เฉื่อย ในกรณีของเป้าหมายที่ทำงาน ควอนตัมดอทจะทำงานกับการจับที่ตำแหน่งที่เฉพาะกับเนื้องอก เป้าหมายที่เฉื่อยจะเพิ่มการผ่านและการคงอยู่ของเซลล์เนื้องอกสำหรับการขนส่งควอนตัมดอทโพรบ เซลล์เนื้องอกที่เจริญเร็วจะมีเนื้อเยื่อที่ผ่านได้ง่ายกว่าเซลล์ที่สุขภาพดี ทำให้มีการรั่วของอนุภาคนาโนขนาดเล็กเข้าไปสู่ตัวเซลล์ เซลล์เนื้องอกยังขาดความสามารถในการขับออก จึงทำให้เกิดการสะสมอนุภาคนาโน

อีกหัวข้อหนึ่งเกี่ยวกับควอนตัมดอทโพรบคือศักยภาพในการเกิดความเป็นพิษในสภาพสิ่งมีชีวิตจริง ตัวอย่างเช่นผลึกนาโนของ CdSe เป็นพิษต่อเซลล์ที่เลี้ยงสูงมากภายใต้สภาวะที่ได้รังสียูวี พลังงานของรังสียูวีใกล้กับพลังงานโควาเลนซ์ทางเคมีของผลึกนาโนของ CdSe อนุภาคของสารกึ่งตัวนำสามารถละลายในกระบวนการที่เรียกการสลายตัวด้วยแสง ซึ่งจะปลดปล่อยไอออนที่เป็นพิษคือแคดเมียมออกมาในอาหารเลี้ยงเซลล์ เมื่อไม่มีรังสียูวี ควอนตัมดอทจะเป็นโพลีเมอร์ที่เสถียรโดยไม่มีพิษ การหุ้มควอนตัมดอทด้วยไฮโดรเจลทำให้คววอนตัมดอทคงตัวในสารละลาย ลดโอกาสที่จะเกิดการรั่วของแคดเมียม มีข้อมูลน้อยมากเกี่ยวกับกระบวนการขับควอนตัมดอทออกจากสิ่งมีชีวิต จึงมีคำถามที่ต้องพิจารณาอย่างระมัดระวังก่อนนำไปใช้กับมนุษย์ การนำไปใช้ที่มีศักยภาพอีกอย่างหนึ่งคือการเป็นฟลูโรฟลอร์อนินทรีย์ในการตรวจสอบเนื้องอกโดยใช้กล้องฟลูออเรสเซนส์ ซึ่งอยู่ระหว่างการวิจัย

ควอนตัมดอทสามารถที่จะเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนของเซลล์แสงอาทิตย์ได้ จากข้อมูลทางการทดลองในปี 2004 ควอนตัมดอทของตะกั่วไซยาไนด์สามารถผลิตโฟตอนพลังงานสูงต่อกระบวนการการกระตุ้น ซึ่งเทียบได้กับเซลล์แสงอาทิตย์ในปัจจุบัน เซลล์แสงอาทิตย์ควอนตัมดอทจะถูกกว่า และใช้ปฏิกิริยาที่ไม่ซับซ้อน
มีความต้องการที่จะใช้ควอนตัมดอทเป็นอุปกรณ์เปล่งแสงเช่น QD-LED หรือ QD-WLED (สีขาว) ในเดือนมิถุนายน 2006 ได้ประกาสความสำเร็จทางเทคนิคในการพิสูจน์แนวคิดของการใช้ควอนตัมดอทในการแสดงข้อความแสงด้วยแสงขาวและแสงใกล้แดง ควอนตัมดอทมีคุณค่าในการแสดงเพราะเปล่งแสงที่กระจายตัวดี ทำให้ได้ผลที่แม่นยำสำหรับตาของมนุษย์ ควอนตัมดอทต้องการพลังงานน้อยและไม่ต้องกรองแสง เมื่อมีการค้นพบควอนตัมดอทที่เปล่งสีขาว ทำให้การนำมาใช้ใกล้ความจริง การแสดงด้วยผลึกเหลวใช้ตะเกียงฟลูออเรสเซนส์ ซึ่งต้องใช้ตัวกรองแสงเพิ่อผลิตสีแดง เขียว และน้ำเงิน การแก้ปัญหาที่ดีคือการใช้ LED ที่เปล่งสีน้ำเงินเป็นแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งจะทำให้ได้สีเขียวและสีแดงโดยการเลือกควอนตัมดอทที่เหมาะสม ควอนตัมดอทจะผลิตแสงที่มีสีเดียวที่มีประสิทธิภาพในการมองเห็นของสายตา QD-LED จะประดิษฐ์จากซิลิคอนทำให้สามารถรวมแหล่งของแสงเข้ากับวงจรของซิลิคอน QD-LED จะรวมเข้าในกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดเพื่อใช้ในการแสดงสีฟลูออเรสเซนส์สำหรับการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์
อุปกรณ์ตรวจวัดด้วยแสงโดยใช้ควอนตัมดอท (QDPs) สามารถประดิษฐ์ขึ้นโดยกระบวนการของสารละลาย หรือการเกิดผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำ อุปกรณ์ตรวจวัดด้วยแสงโดยใช้ควอนตัมดอทโดยใช้ผลึกเดี่ยวของสารกึ่งตัวนำเป็นการรวมอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์เข้ากับกระบวนการที่ต้องการสารกึ่งตัวนอินทรีย์ อุปกรณ์ตรวจวัดด้วยแสงโดยใช้ควอนตัมดอทที่มีกระบวนการในสารละลายสามารถใช้กับสารตั้งต้นหลายชนิด และรวมกับวงจรได้ อุปกรณ์ตรวจวัดด้วยแสงโดยใช้ควอนตัมดอทแบบคอลลอยด์มีศักยภาพที่จะนำไปใช้ในเครื่องจักร อุตสาหกรรม กล้องจุลทรรศน์ และการสร้างภาพทางการแพทย์ด้วยฟลูออเรสเซนส์