นาโนเทคโนโลยี :: นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์

นาโนเทคโนโลยี

หน่วยที่ 3(ส่วนที่สอง): นาโนเทคโนโลยีจากระบบธรรมชาติสู่การสังเคราะห์

นาโนเทคโนโลยีโดยการสังเคราะห์ (3)

ควอนตัมดอท (quantum dot) (หรือบางครั้งก็เรียกว่าจุดควอนตัม) เป็นโครงสร้างที่มีลักษณะเป็นผลึกนาโน (nanocrystal) ของสารประกอบที่มีคุณสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ (semiconductor) เช่น แคดเมียมเซลิไนด์ (CdSe) และ เลดซัลไฟด์ (PbS) ซึ่งประกอบไปด้วยอิเล็กตรอนจำนวนระหว่าง 100 - 1,000 อิเล็กตรอน และเป็นโครงสร้างนาโนที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในช่วงระหว่าง 2 - 10 นาโนเมตร (หรือประกอบไปด้วยอะตอมจำนวนประมาณ 10-50 อะตอม) เมื่อมองโครงสร้างของควอนตัมดอทนี้ผ่านเครื่องมือที่สามารถสำรวจโครงสร้างระดับนาโนได้ จะมองเห็นว่าโครงสร้างนี้มีลักษณะเป็นจุด (dot) จึงเป็นที่มาของโครงสร้างนาโนที่เรียกว่า ควอนตัมดอท นี่เอง และเมื่อโครงสร้างของควอนตัมดอทที่ได้จากสังเคราะห์มีขนาดเล็กระดับนาโนนี้ ทำให้โครงสร้างนี้หรือจุดนี้ก็จะแสดงพฤติกรรมภายในอะตอมหรือภายในโมเลกุลแบบควอนตัม (quantum) ตามหลักการทางฟิสิกส์ควอนตัม (quantum physics) (หรือมีสถานะเป็นแบบควอนตัมนั่นเอง) จึงเรียกโครงสร้างนาโนของวัสดุที่มีลักษณะเช่นนี้ว่า ควอนตัมดอท (หรือเรียกกันอีกชื่อหนึ่งว่าผลึกนาโนของสารกึ่งตัวนำ)


โครงสร้างนาโนของควอนตัมดอท ที่เป็นควอนตัมดอทของแคดเมียมเซลิไนด์ (CdSe)

ควอนตัมดอทมีขนาดของโครงสร้างที่เล็กมาก โดยถ้าเทียบกับความยาวประมาณ 2 เซนติเมตร ก็เป็นระยะความยาวที่สามารถจัดเรียงโครงสร้างของควอนตัมดอทได้ทั้งสิ้นประมาณ 4,000,000 ดอทด้วยกัน

<----- ใช้เม้าส์คลิ๊กที่ปุ่ม START เพื่อแสดงผลภาพเคลื่อนไหวโครงสร้างควอนตัม ดอท ----->

ควอนตัมดอทเป็นโครงสร้างนาโนที่ได้จากการสังเคราะห์ โดยโครงสร้างระดับนาโนของควอนตัมดอทนี้ ประกอบไปด้วยส่วนสำคัญ 2 ส่วน ได้แก่ ส่วนแกนของควอนตัมดอท (core quantum dot) และส่วนผิวรอบนอกของควอนตัมดอท (core-shell coating)

ควอนตัมดอทเป็นโครงสร้างนาโนสังเคราะห์ที่มีคุณสมบัติที่พิเศษ อันเกิดจากการที่อิเล็กตรอนที่อยู่ภายในโครงสร้างนาโนของควอนตัมดอท ถูกจำกัดบริเวณการเคลื่อนที่ทั้งสามมิติไว้ (quantum confinement) ทำให้อิเล็กตรอนเหล่านั้นสามารถที่จะเคลื่อนที่ได้ในปริมาตรที่จำกัด ซึ่งจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเหมือนกับที่เกิดขึ้นในโครงสร้างขนาดใหญ่ (เป็นปรากฎการณ์ที่จะไม่เกิดขึ้นหรือเกิดขึ้นน้อยมากสำหรับโครงสร้างขนาดปกติ)

การถูกกักขังนี้จึงส่งผลให้เกิดระดับการส่งผ่านพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง หรือเกิดเป็นพลังงานแบบควอนตัมนั่นเอง ส่งผลให้ค่าระดับพลังงานของอิเล็กตรอนภายในควอนตัม ดอทสามารถควบคุมให้แปรเปลี่ยนไปตามขนาดของควอนตัมดอท ซึ่งจะพบว่าควอนตัมดอทที่มีขนาดโครงสร้างเล็ก จะมีช่วงของช่องว่างระหว่างแถบพลังงานอิเล็กตรอน (energy band gap) (ซึ่งเป็นช่องที่อยู่ระหว่างแถบพลังงานต่ำ (conduction band) และแถบพลังงานสูง (valence band)) ของระดับพลังงานที่กว้างมากกว่าควอนตัมดอทที่มีขนาดโครงสร้างใหญ่กว่า และโครงสร้างของควอนตัมดอทที่มีขนาดเล็กกว่าจะมีค่า Exciton Bohr Radius ที่มากกว่าโครงสร้างควอนตัมดอทที่มีขนาดใหญ่อีกด้วย

ควอนตัมดอทจะมีคุณสมบัติที่เห็นได้อย่างชัดเจนในทางไฟฟ้าและทางแสง คุณสมบัติหนึ่งในทางแสงที่เป็นรู้จักและเห็นได้ด้วยตาเปล่า ก็คือสีสันของควอนตัมดอทที่มีการเปลี่ยนแปลงตามระดับขนาดของควอนตัมดอทเอง โดยที่ควอนตัมดอทที่มีขนาดต่างๆ กันจะให้สีสันที่แตกต่างกันไปด้วย พบว่าควอนตัมดอทที่มีขนาดใหญ่จะมีสีสันที่แสดงออกมาอยู่ในขอบเขตของสีแดง และควอนตัมที่มีขนาดที่เล็กลงลดหลั่นกันลงมาจะมีสีสันอยู่ในขอบเขตของสีน้ำเงิน ซึ่งแถบสีควอนตัมดอทแสดงออกมานั้นมีความสัมพันธ์กับระดับพลังงานภายในควอนตัมโดยตรง การที่ควอนตัมดอทที่มีขนาดใหญ่แสดงสีสันอยู่ในช่วงของสีแดง เนื่องจากว่าอิเล็กตรอนภายในควอนตัมดอทนั้นมีระดับพลังงานที่มากขึ้น (เพราะมีที่ว่างมากขึ้น) ทำให้ควอนตัมดอทนี้ดูดกลืนโฟตอนที่มีพลังงานน้อย จึงมีสีที่อยู่ในช่วงด้านปลายของสเปคตรัมสีแดงนั่นเอง

จากคุณสมบัติพิเศษนี้ของควอนตัมดอท จึงมีการนำควอนตัมดอทไปใช้ในทางการแพทย์ สำหรับช่วยในการพิมพ์ภาพทางชีวภาพ (bioimaging) เพื่อระบุตำแหน่งและติดตามศึกษาเซลล์หรือโมเลกุลชีวภาพภายในร่างกายได้ง่าย และมีประสิทธิภาพมากขึ้น และนำมาใช้สำหรับเป็นเซ็นเซอร์หรือตัวรับสัมผัสทางชีวภาพ (biological sensors)