रसायन विज्ञान में 2023 का नोबेल पुरस्कार क्वांटम डॉट्स की खोज और विकास के लिए दिया गया। नोबेल समिति ने कहा, "क्वांटम डॉट्स मानव जाति के लिए सबसे अधिक लाभ ला रहे हैं, और इनकी क्षमता का हमारा अन्वेषण अभी शुरू ही हुआ है।" यह पुरस्कार न केवल क्वांटम डॉट अनुसंधान की सर्वोच्च मान्यता का प्रतिनिधित्व करता है, बल्कि डिस्प्ले लाइटिंग, ऊर्जा उत्प्रेरण, जैव चिकित्सा और क्वांटम प्रौद्योगिकी जैसे क्षेत्रों में इसकी अपार क्षमता को भी उजागर करता है। यह विशेष रिपोर्ट सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स, विशेष रूप से विलायक-प्रकीर्णित प्रणालियों पर केंद्रित है, जिसमें संश्लेषण विधियों, संरचनात्मक गुणों और प्रकाशीय गुणों में अनुसंधान प्रगति के साथ-साथ समाधान-प्रक्रियाकृत प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) में इसके अनुप्रयोग का व्यवस्थित रूप से परिचय दिया गया है।
क्वांटम डॉट्स कुछ नैनोमीटर के आकार वाले अर्धचालक नैनोक्रिस्टल होते हैं। कोलाइडल क्वांटम डॉट्स के कई अनूठे फायदे हैं: गैर-निर्वात प्रक्रियाओं के माध्यम से आकार-समायोज्य पूर्ण-रंग उत्सर्जन प्राप्त किया जा सकता है; इनकी फोटोल्यूमिनेसेंस क्वांटम उपज 100% के करीब पहुंच सकती है; इनमें 20-40 एनएम की संकीर्ण उत्सर्जन बैंडविड्थ होती है, और इनका रंग सरगम कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड की तुलना में तीन से चार गुना अधिक होता है; और इन्हें कम तापमान वाली विलयन विधियों का उपयोग करके कमरे के तापमान पर तैयार किया जा सकता है। इन विशेषताओं के कारण, संकीर्ण बैंडगैप इंजीनियरिंग नियंत्रण वाली कोर-शेल संरचनाएं साकार की गई हैं, और क्वांटम डॉट टेलीविजन जैसे वाणिज्यिक उत्पादों का सफलतापूर्वक विकास किया गया है। भविष्य में, क्वांटम डॉट्स से लघु एलईडी, माइक्रोन आकार के एलईडी और क्वांटम डॉट एलईडी प्रौद्योगिकियों के विकास में केंद्रीय भूमिका निभाने और मानव-केंद्रित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए अगली पीढ़ी की प्रौद्योगिकियों, जैसे कि खिंचाव योग्य पहनने योग्य उपकरणों के विकास को गति देने की उम्मीद है। इस तकनीकी लहर से प्रेरित होकर, वैश्विक क्वांटम डॉट बाजार के 9.47% की सीएजीआर से लगातार विस्तार करने का अनुमान है।
हालांकि, क्वांटम डॉट तकनीक के व्यापक अनुप्रयोग में अभी भी तीन प्रमुख चुनौतियाँ हैं: पहली, कच्चे माल की उपलब्धता कठिन है और इससे सुरक्षा जोखिम उत्पन्न हो सकते हैं। वर्तमान में, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध क्वांटम डॉट्स अधिकतर भारी धातु सामग्री पर आधारित हैं, जैसे कि दुर्लभ धातु इंडियम और विषैली धातुएँ कैडमियम और लेड। इसके विपरीत, कोलाइडल सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स और उनके नैनोमैटेरियल्स स्वाभाविक रूप से भारी धातुओं और हैलोजन से मुक्त होते हैं, जो सतत अगली पीढ़ी के डिस्प्ले, सॉलिड-स्टेट लाइटिंग, बायोमेडिकल इमेजिंग और यहाँ तक कि अत्याधुनिक क्वांटम क्षेत्रों के लिए एक आदर्श विकल्प प्रदान करते हैं। दूसरी, क्वांटम डॉट्स की दक्षता संबंधी बाधा को तत्काल दूर करने की आवश्यकता है। यद्यपि कैडमियम-आधारित और पेरोव्स्काइट क्वांटम डॉट्स ने लगभग 100% क्वांटम उपज प्राप्त कर ली है, लेकिन सतह दोषों और अपूर्ण निष्क्रियता के कारण भारी धातु-मुक्त प्रणालियाँ लंबे समय से पिछड़ी हुई हैं। उत्साहजनक रूप से, हाल के शोध ने सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स की क्वांटम उपज को 70% से अधिक तक बढ़ा दिया है। तीसरी, मौजूदा संश्लेषण विधियों को तत्काल सरल बनाने की आवश्यकता है। व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली हॉट-इंजेक्शन विधि में न्यूक्लिएशन को सक्रिय करने के लिए अग्रदूत को उच्च तापमान वाले विलायक में तेजी से इंजेक्ट करना आवश्यक होता है, जिससे तापमान नियंत्रण, अक्रिय वातावरण और विशेष उपकरणों की आवश्यकता बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप बड़े पैमाने पर उत्पादन की लागत बहुत अधिक हो जाती है। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि वर्तमान में कोई भी उपयुक्त अग्रदूत या विलायक उपलब्ध नहीं है जो हॉट-इंजेक्शन विधि का उपयोग करके उच्च क्रिस्टलीयता और उत्कृष्ट प्रकाशीय गुणों वाले सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स का संश्लेषण कर सके।
पिछले दो दशकों में, शोध दल ने सिलिकॉन क्वांटम डॉट अनुसंधान में कई महत्वपूर्ण उपलब्धियाँ हासिल की हैं: त्रि-रंग उत्सर्जन और निरंतर सफेद प्रकाश उत्सर्जन प्राप्त करना; पहला आकाश-नीला उत्सर्जक सिलिकॉन क्वांटम डॉट डायोड विकसित करना; एक कम लागत वाली संश्लेषण विधि विकसित करना जिससे उत्पादन लागत सैकड़ों से हजारों गुना कम हो जाती है; चावल के छिलकों का उपयोग करके टिकाऊ सिलिकॉन क्वांटम डॉट डायोड तैयार करना; लगभग 80% की क्वांटम उपज और अच्छी तरह से परिभाषित क्रिस्टलीयता वाले सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स प्राप्त करना; टिकाऊ लाल, हरे और नीले त्रि-रंग पतली फिल्मों का निर्माण करना; 10% से अधिक की बाहरी क्वांटम दक्षता वाले प्रकाश उत्सर्जक डायोड उपकरण प्राप्त करना; और चार प्रदर्शन रिकॉर्ड स्थापित करना।
जापान के हिरोशिमा विश्वविद्यालय के केन-इची सैतोव और अन्य शोधकर्ताओं ने एक विशेष रिपोर्ट में 80% तक की क्वांटम उपज वाले उच्च क्रिस्टलीय सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के संश्लेषण विधियों, संरचनात्मक विशेषताओं और फोटोफिजिकल गुणों का सारांश प्रस्तुत किया है। सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के लाभों को रेखांकित करने के बाद, कोलाइडल सिलिकॉन क्वांटम डॉट्स के संश्लेषण मार्ग, विशेष रूप से हाइड्रोजन सिल्ससेक्वियोक्सेन बहुलक विधि पर ध्यान केंद्रित किया गया है। यह विधि गर्म इंजेक्शन चरण की आवश्यकता को समाप्त करती है और इसे सामान्य कमरे के तापमान पर किया जा सकता है, जिससे तीव्र अग्रदूत इंजेक्शन और कठोर संचालन प्रक्रियाओं की आवश्यकता नहीं रह जाती है। इससे प्रायोगिक प्रक्रिया काफी सरल हो जाती है और बड़े पैमाने पर उत्पादन में सुविधा होती है। इस संश्लेषण मार्ग के आधार पर तैयार किए गए हाइड्रोजन सिल्ससेक्वियोक्सेन-व्युत्पन्न पदार्थ चार प्रमुख प्रदर्शन संकेतकों में सिलिकॉन क्वांटम डॉट प्रकाश उत्सर्जक डायोड में रिकॉर्ड तोड़ उपलब्धियों को प्रदर्शित करते हैं।
