Kvantu punkti ir unikāli pusvadītāju nanomateriāli, kuru optiskās un elektriskās īpašības ievērojami atšķiras no materiāliem ar makroskopiskām daļiņām un var tikt aprakstīti ar kvantu mehānikas modeļiem. Pielāgojot šo daļiņu izmēru, struktūru, virsmu un ķīmisko sastāvu, ir iespējams kontrolēt to aizliegtās zonas (band gap) platumu, luminiscences emisijas viļņa garumu un intensitāti. Tas padara kvantu punktus par daudzsološiem materiāliem ar augstu efektivitāti, kas ļauj tos izmantot plašā tehnoloģiju klāstā: no saules baterijām, ekrāniem un displejiem līdz pat bioloģiskiem un biomedicīnas sensoriem un detektoriem.

Viena no svarīgākajām optiskajām parādībām kvantu punktos ir fotoluminiscence. Ierosinot ar gaismu vienā atsevišķā atomā elektronus no zemākiem aizpildītiem enerģijas līmeņiem, tie tiek “pārcelti” uz augstākiem brīviem enerģijas līmeņiem. Ierosinātais stāvoklis nav stabils, līdz ar to ierosinātais elektrons viegli atgriežas sākotnējā stāvoklī, atbrīvojot enerģiju gaismas kvanta veidā. Šajā gadījumā gaismas emisijas viļņa garums ir apgriezti proporcionāls enerģijas starpībai starp šiem diviem līmeņiem.

Makroskopiskajos kristālos ir problemātiski izšķirt atsevišķu atomu vai molekulu aizpildītus un tukšus enerģijas līmeņus, jo tie “saplūst” nepārtrauktas enerģijas joslās, kas savstarpēji ir atdalītas ar aizliegto zonu: aizpildītie elektronu līmeņi veido valences zonu (valence band), bet neaizpildītie līmeņi veido vadāmības zonu (conduction band). Tas nozīmē, ka gaismas starojums sastāv no fotoniem ar dažādiem viļņa garumiem. Savukārt kvantu punktos atomu skaits ir visai zems, kas palīdz saglabāt atsevišķu atomu diskrētos enerģijas līmeņus.

Kvantu punktos lādiņnesēju kustība ir ierobežota mazā tilpumā, jo daļiņās, kas sastāv tikai no dažiem simtiem atomu, elektroni var atrasties vienīgi noteiktos enerģijas līmeņos. Tieši šī iemesla dēļ var novērot kvantu ierobežotību. Rezultātā kvantu punktu fotoluminscences emisijas joslas platums ir šaurāks nekā makroskopiskiem materiāliem, kā arī to fotoluminiscences intensitāte ir lielāka.

Svarīgi arī atzīmēt, ka kvantu punktu lielums nosaka to enerģijas līmeņu savstarpējo novietojumu. Kvantu punktos ar mazāku izmēru ir lielāks aizliegtās zonas platums, kā arī enerģijas līmeņiem ir augstāka enerģija spēcīgāka kvantu ierobežotības efekta dēļ.

Kvantu punktu izmērs un morfoloģija jeb forma var tikt precīzi kontrolēta sintēzes laikā, tādējādi ļaujot ražot nanomateriālus ar vēlamajām īpašībām lielā mērogā. Tāpat kvantu punktu īpašības nosaka to struktūra, ķīmiskais sastāvs un virsmas defekti.

Kvantu punktu morfoloģija un izmērs ir atkarīgs no sintēzes apstākļiem, reaģentiem un galaprodukta kristāliskās struktūras. Dažādas nanodaļiņu formas ir iegūstamas, ja kristālisku daļiņu veidošanos un augšanu noteiktajā kristalogrāfiskajā virzienā ierobežo vai veicina ar reaģentu palīdzību, piemēram, virsmaktīvajām vielām. Savukārt, lai regulētu daļiņu izmēru, ir jākontrolē reakcijas laiks un reaģentu koncentrācijas izmaiņas reakcijas gaitā.

Tikpat svarīgs ir arī defektu skaits un veids kvantu punktu tilpumā un uz virsmas. Reālajos apstākļos kristāla struktūra nav ideāla, respektīvi, kristālā augšanas laikā kāds atoms var tikt ievietots nepareizajā pozīcijā vai vispār neiekļauties kristāliskajā režģī. Visbiežāk kristālu defekti rada papildu diskrētus enerģijas līmeņus, kuros var nonākt elektrons pēc ierosināšanas, tādējādi ietekmējot izstarotās gaismas enerģiju. Pastāv neradiatīvi defekti, kas slāpē luminiscenci, un, elektronam nonākot šī defekta enerģijas līmenī, visa elektrona enerģija tiek pārvērsta siltuma veidā, nevis fotonā. Visbiežāk neradiatīvi defekti atrodas uz kvantu punkta virsmas.

Ķīmiskais sastāvs ir vēl viens būtisks faktors kvantu punktu īpašību modificēšanai. Dažādiem pusvadītāju savienojumiem ir atšķirīgi aizliegtās zonas platumi, kas ļauj mainīt kvantu punktu gaismas absorbcijas un emisijas spējas. Papildus tam bieži vien tiek audzēti kvantu punkti ar kodola apvalka (core-shell) struktūru. Šajās sistēmās viena materiāla kvantu punkti tiek pārklāti ar cita savienojuma slāni. Dažādu aizliegtās zonas platumu dēļ materiālos, lādiņnesēju pārvietošanās kodola apvalka kvantu punktos notiek konkrētajā virzienā. Protams, ka abu materiālu izvēle nav nejauša. Starp kodolu un apvalku var pastāvēt režģu nesakritība, kas ierobežos iespēju izaudzēt apvalku no izvēlētā materiāla un izvēlēto biezumu, nepasliktinot luminiscentās īpašības.

Nereti pusvadītājiem pievieno pārejas metālu, piemēram, mangānu, dzelzi, niķeli, sudrabu, vai retzemju elementu, piemēram, eiropija, disprozija, erbija, jonu piemaisījumus, kas darbojas kā kristāliskā režģa defekti. Tas ir vēl viens veids, kā var pielāgot gaismas emisijas viļņa garumu vajadzībām.

Viens no kvantu punktu būtiskākajiem trūkumiem ir to stabilitāte. Uzglabāšanas laikā kvantu punkti mēdz zaudēt savas sākotnējas īpašības fizikālo un ķīmisko procesu gaitā. Visbiežāk sastopamās problēmas ir daļiņu aglomerācija, Ostvalda novecošanas procesi vai oksidēšanās. Nelabvēlīgus procesus novērš ar stabilizējošo reaģentu palīdzību vai pārklājot daļiņas ar citu stabilāku vai inertu savienojumu, iegūstot kodola apvalka struktūras. Kvantu punktu virsmas aizsardzība palīdz arī mazināt neradiatīvo defektu skaitu, kas uzlabo luminiscences intensitāti un kvantu iznākumu.

Lai uzlabotu reakcijas iznākumu, izstrādātu nanodaļiņas ar noteiktu struktūru, ķīmisko sastāvu, morfoloģiju un izmēru, tiek attīstītas tādas sintēzes metodes kā karstā injekcija (hot injection), solvotermālā un hidrotermālā sintēze, ķīmisko tvaiku kondensācija, lāzerablācija, elektroķīmiskā nogulsnēšana u. c. Mūsdienās īpaša nozīme ir zaļās ķīmijas konceptiem, kas var ierobežot nanomateriālu praktisko pielietojumu to ķīmiskā sastāva dēļ. Piemēram, kadmiju saturošiem kvantu punktiem (kadmija selenīds (CdSe), kadmija telurīds (CdTe) u. c.) piemīt toksiskas īpašības, līdz ar to sintēzei tiek meklētas videi draudzīgākas materiālu un izejvielu iespējas.

Mūsdienās viena no visstraujāk attīstāmajām pētniecības jomām cietvielu fizikas un ķīmijas nozarē ir kvantu punktu sintēze un iegūšanas metodes. 2023. gadā Nobela prēmiju ķīmijā piešķīra zinātniekiem Mungi Bavendi (Moungi Bawendi, منجي الباوندي), Lūisam Brūsam (Louis Edward Bruss) un Aleksejam Jekimovam (Алексей Иванович Екимов) par kvantu punktu atklāšanu un sintēzi.

Kvantu punktu pielietojums ir diezgan plašs, kā arī nepārtraukti tiek piedāvātas jaunas tehnoloģijas un idejas, kur tos var integrēt. Pateicoties šaurām gaismas emisijas joslām, fotonikā kvantu punktus izmanto gaismas diožu (light emitting diode, LED) ekrānu ražošanai ar augstu krāsu tīrību un spožumu, savukārt elektronikā tos pielieto augstas izšķirtspējas fotodetektoru izgatavošanai. Kvantu punktu izmērs ļauj tos izmantot kompozītmateriālu izgatavošanai, lai iegūtu plānākas, vieglākas un lokanas ierīces. Uzlabojot daļiņu stabilitāti un kalpošanas laiku, tiek pavērtas iespējas pielietot kvantu punktus arī saules bateriju ražošanā vai fluorescējošās zondēs, kas tiek izmantotas biomedicīnā.