Mostrar código-fonte de Ponto quântico

{{Nanomateriais}}
[[Ficheiro:QD S.jpg|miniaturadaimagem|Pontos quânticos coloidais irradiados com luz ultravioleta. Pontos quânticos de tamanhos diferentes emitem luz de cores diferentes devido ao efeito de confinamento quântico]]
[[Ficheiro:Colloidal nanoparticle of lead sulfide (selenide) with complete passivation.png|miniaturadaimagem|Imagem de uma nanopartícula coloidal de sulfeto-seleneto de chumbo com passivação completa de superfície por ácido oleico, oleilamina e ligantes com hidroxilas. Tamanho: aproximadamente 5 nm. Produzida com o software Vesta]]
'''Ponto quântico''', comumente abreviado por '''''QD''''', do [[Língua inglesa|inglês]] ''quantum dot'', são partículas de [[semicondutor]]es extremamente pequenas, cujas dimensões não ultrapassam alguns nanometros de diâmetro. Nessas condições, suas propriedades ópticas e elétricas diferem das propriedades apresentadas pelos semicondutores de tamanho macroscópico. Os pontos quânticos são um dos principais materiais em aplicações de [[nanotecnologia]]. Seu comportamento físico pode ser relacionado ao de um [[poço de potencial]], que confina os [[elétron]]s nas três dimensões espaciais em uma região com tamanho da ordem do comprimento de onda de [[Louis de Broglie|De Broglie]] dos elétrons, que é de alguns nanômetros em um semicondutor. Devido ao confinamento, os elétrons, em um ponto quântico, têm sua energia quantizada em valores discretos, tais como em um [[átomo]]. Por essa razão, pontos quânticos são por vezes chamados átomos artificiais. Os níveis de energia podem ser controlados mudando o tamanho e a forma do ponto quântico, e a profundidade de poço de potencial.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Sabaeian|primeiro=Mohammad|ultimo2=Khaledi-Nasab|primeiro2=Ali|data=2012-06-20|titulo=Size-dependent intersubband optical properties of dome-shaped InAs/GaAs quantum dots with wetting layer|url=https://www.osapublishing.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-51-18-4176|jornal=Applied Optics|lingua=en|volume=51|numero=18|paginas=4176–4185|doi=10.1364/AO.51.004176|issn=2155-3165}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Khaledi-Nasab|primeiro=Ali|ultimo2=Sabaeian|primeiro2=Mohammad|ultimo3=Sahrai|primeiro3=Mostafa|ultimo4=Fallahi|primeiro4=Vahid|data=2014-05-01|titulo=Kerr nonlinearity due to intersubband transitions in a three-level InAs/GaAs quantum dot: the impact of a wetting layer on dispersion curves|url=http://stacks.iop.org/2040-8986/16/i=5/a=055004?key=crossref.6acad6b7fb3426fba663fbce59417424|jornal=Journal of Optics|volume=16|numero=5|paginas=055004|doi=10.1088/2040-8978/16/5/055004|issn=2040-8978}}</ref> Considerando pontos quânticos de um mesmo composto, partículas maiores (raio entre 5 e 6&nbsp;nm, por exemplo) apresentam menor energia da [[banda proibida]], levando à emissão de luz em comprimentos de onda maiores, como laranja e vermelho. Pontos quânticos menores (raio entre 2 e 3&nbsp;nm, por exemplo) apresentam maior energia da banda proibida, gerando emissão de luz em comprimentos de onda menores, resultando em cores como azul e verde. A composição do ponto quântico também é um fator chave na determinação do comprimento de onda da luz emitida pelo material.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Kastner|primeiro=Marc A.|data=1993-01-01|titulo=Artificial Atoms|url=http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.881393|jornal=Physics Today|lingua=en|volume=46|numero=1|paginas=24–31|doi=10.1063/1.881393|issn=0031-9228|acessodata=}}</ref>

Devido à possibilidade de controle de suas propriedades físicas, os pontos quânticos despertam grande interesse tecnológico. Possíveis aplicações incluem [[Transístor|transistores]], [[Célula solar|células solares]], [[Diodo emissor de luz|LEDs]], [[Laser díodo|diodos laser]], [[geração de segundo harmônico]], [[computação quântica]],  codificar histórico médico em pacientes<ref>{{Citar web|titulo=Quantum-dot tattoos for accurate medical recordkeeping|url=https://www.techexplorist.com/quantum-dot-tattoos-accurate-medical-recordkeeping/28622/|obra=Tech Explorist|data=2019-12-19|acessodata=2019-12-19|lingua=en-US}}</ref> e imageamento medicinal.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Murray|primeiro=C. B.|ultimo2=Kagan|primeiro2=C. R.|ultimo3=Bawendi|primeiro3=M. G.|data=2000|titulo=Synthesis and Characterization of Monodisperse Nanocrystals and Close-Packed Nanocrystal Assemblies|url=http://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev.matsci.30.1.545|jornal=Annual Review of Materials Science|lingua=en|volume=30|numero=1|paginas=545–610|doi=10.1146/annurev.matsci.30.1.545|issn=0084-6600|acessodata=}}</ref> Eles têm sido usados em [[Filme de Langmuir-Blodgett|filmes finos de Langmuir-Blodgett]].<ref>{{citar periódico|título=Oscillatory barrier-assisted Langmuir–Blodgett deposition of large-scale quantum dot monolayers|periódico=Applied Surface Science|volume=367|bibcode=2016ApSS..367..500X|doi=10.1016/j.apsusc.2016.01.243|último =Xu|primeiro5 =Fritz B.|páginas=500–506|último5 =Prinz|primeiro =Shicheng|primeiro4 =Peter|último4 =Schindler|primeiro3 =Shinjita|último3 =Acharya|primeiro2 =Anup L.|último2 =Dadlani|ano=2016}}</ref><ref>{{citar periódico|título=Investigation of Multilayers Structures Based on the Langmuir-Blodgett Films of CdSe/ZnS Quantum Dots|periódico=BioNanoScience|volume=6|doi=10.1007/s12668-016-0194-0|issn=2191-1630|último =Gorbachev|primeiro =I. A.|último2 =Goryacheva|primeiro2 =I. Yu|último3 =Glukhovskoy|primeiro3 =E. G.|data=2016-06-01|língua=en|número=2|páginas=153–156}}</ref><ref>{{citar periódico|título=Picosecond Energy Transfer in Quantum Dot Langmuir−Blodgett Nanoassemblies|periódico=The Journal of Physical Chemistry B|volume=107|arxiv=cond-mat/0310127|doi=10.1021/jp036497r|issn=1520-6106|páginas=13782–13787|número=50|último =Achermann|primeiro =Marc|primeiro4 =Victor I.|último4 =Klimov|primeiro3 =Scott A.|último3 =Crooker|primeiro2 =Melissa A.|último2 =Petruska|data=2003-12-01}}</ref> Essas técnicas de processamento resultam em métodos mais baratos e demorados para a [[Fabricação de dispositivos semicondutores|fabricação de semicondutores]].

[[Alexei Ekimov|Alexey Ekimov]], [[Louis Brus]] e [[Moungi Bawendi]] ganharam o [[Prêmio Nobel de Química]] de 2023 pela descoberta dos pontos quânticos.<ref>{{Citar web|url=https://swentr.site/news/584047-russian-scientist-nobel-prize/|titulo=Russian scientist wins Nobel prize|acessodata=2023-10-04|website=RT International|lingua=en}}</ref>

== Classificação ==
Os pontos quânticos podem ser classificados quanto ao número e à [[Grupo (química)|família química]] dos elementos presentes em sua composição. Pontos quânticos contendo um elemento tipicamente são feitos de um elemento [[Isolante elétrico|isolante]] ou semicondutor, como [[carbono]] (quase sempre ligados a [[Hidrogénio|hidrogênio]]), [[silício]], [[germânio]] e [[fósforo]].<ref>{{Citar periódico|ultimo=Kang|primeiro=Zhenhui|ultimo2=Tsang|primeiro2=Chi Him A.|ultimo3=Wong|primeiro3=Ning-Bew|ultimo4=Zhang|primeiro4=Zhendong|ultimo5=Lee|primeiro5=Shuit-Tong|data=2007|titulo=Silicon Quantum Dots: A General Photocatalyst for Reduction, Decomposition, and Selective Oxidation Reactions|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja075184x|jornal=Journal of the American Chemical Society|lingua=en|volume=129|numero=40|paginas=12090–12091|doi=10.1021/ja075184x|issn=0002-7863|acessodata=}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Heath|primeiro=James R.|ultimo2=Shiang|primeiro2=J. J.|ultimo3=Alivisatos|primeiro3=A. P.|data=1994-07-15|titulo=Germanium quantum dots: Optical properties and synthesis|url=https://doi.org/10.1063/1.467781|jornal=The Journal of Chemical Physics|lingua=en|volume=101|numero=2|paginas=1607–1615|doi=10.1063/1.467781|issn=0021-9606}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Zhang|primeiro=Xiao|ultimo2=Xie|primeiro2=Haiming|ultimo3=Liu|primeiro3=Zhengdong|ultimo4=Tan|primeiro4=Chaoliang|ultimo5=Luo|primeiro5=Zhimin|ultimo6=Li|primeiro6=Hai|ultimo7=Lin|primeiro7=Jiadan|ultimo8=Sun|primeiro8=Liqun|ultimo9=Chen|primeiro9=Wei|data=2015-02-03|titulo=Black Phosphorus Quantum Dots|url=https://doi.org/10.1002/anie.201409400|jornal=Angewandte Chemie International Edition|lingua=en|volume=54|numero=12|paginas=3653–3657|doi=10.1002/anie.201409400|issn=1433-7851}}</ref> Pontos quânticos binários (contendo dois elementos), podem ser classificados nos tipos II-VI, III-V e IV-VI, de acordo com a família química a qual pertencem seus elementos constituintes.<ref name=":0">{{Citar periódico|ultimo=Silva|primeiro=Fernanda Oliveira|ultimo2=Viol|primeiro2=Lívia Cristina de Souza|ultimo3=Ferreira|primeiro3=Diego Lourençoni|ultimo4=Alves|primeiro4=José Luiz Aarestrup|ultimo5=Schiavon|primeiro5=Marco Antônio|data=2010|titulo=O estado da arte da síntese de semicondutores nanocristalinos coloidais|url=http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S0100-40422010000900021&lng=pt&nrm=iso&tlng=pt|jornal=Química Nova|volume=33|numero=9|paginas=1933–1939|doi=10.1590/S0100-40422010000900021|issn=0100-4042|acessodata=}}</ref> Pontos quânticos também podem apresentar composição ternária ou quaternária, bem como estruturas do tipo [[perovskita]], que normalmente possuem três elementos (ABX<sub href="bactéria">3</sub>), podendo chegar a quantidades maiores quando são híbridas com moléculas orgânicas.

=== Pontos quânticos tipo II-VI ===
Os pontos quânticos deste tipo são compostos por elementos do antigo grupo 2B (atualmente grupo 12), como [[zinco]], [[cádmio]] e [[Mercúrio (elemento químico)|mercúrio]], ligados quimicamente a elementos do grupo 6A (atualmente grupo 16), como [[enxofre]], [[selênio]] e [[telúrio]]. Embora o [[Oxigénio|oxigênio]] também pertença ao grupo 6A, seus compostos não são classificados como sendo do grupo II-VI, mas como [[óxido]]s, devido às suas distintas propriedades físico-químicas. Os principais exemplos de pontos quânticos do tipo II-VI são o [[sulfeto de cádmio]] (CdS), [[seleneto de cádmio]] (CdSe), [[telureto de cádmio]] (CdTe), [[sulfeto de zinco]] (ZnS) e [[seleneto de zinco]] (ZnSe). Pontos quânticos desse grupo apresentam excelentes propriedades ópticas, tanto para absorção quanto para emissão de luz, porém a toxicidade do cádmio é uma forte desvantagem.<ref name=":0" />

=== Pontos quânticos do tipo III-V ===
Os pontos quânticos III-V são compostos por elementos do grupo 13 (antigo grupo 3A), especificamente, [[alumínio]], [[gálio]] e [[Índio (elemento químico)|índio]], ligados quimicamente a elementos do grupo 5A (atual grupo 15), como [[Azoto|nitrogênio]], fósforo, [[arsênio]] e [[antimônio]]. Os principais compostos deste grupo são o [[Arsenieto de gálio|arseneto de gálio]] (AsGa), o arseneto de índio (AsIn) e o fosfeto de índio (InP).<ref name=":0" />

=== Pontos quânticos do tipo IV-VI ===
Os pontos quânticos do grupo IV-VI são compostos por elementos do grupo 14 (antigo grupo aA), [[estanho]] e [[chumbo]], ligados quimicamente com elementos do grupo 6A, dos calcogenetos, (enxofre, selênio e telúrio). Os principais pontos quânticos deste grupo são o [[Sulfeto de chumbo(II)|sulfeto de chumbo]] e o seleneto de chumbo.<ref name=":0" />

=== Pontos quânticos ternários ===
Pontos quânticos ternários são formados, tipicamente, pela substituição de dois átomos de um elemento com valência 2<sup href="Azoto">+</sup>, nos semicondutores do tipo II-VI e IV-VI, por dois elementos, sendo um com valência 1<sup href="arsênio">+</sup> e outro  com valência 3<sup href="antimônio">+</sup>. Desse modo, os pontos quânticos ternários, normalmente, são classificados em I-III-VI<sub href="Arsenieto de gálio">2</sub> e I-V-VI<sub>2</sub>. O principal composto de pontos quânticos deste grupo é o sulfeto de cobre e índio, que já demonstrou sua capacidade como substituto para os pontos quânticos de CdSe.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Das|primeiro=Adita|ultimo2=Snee|primeiro2=Preston T.|data=2015-12-08|titulo=Synthetic Developments of Nontoxic Quantum Dots|url=http://doi.wiley.com/10.1002/cphc.201500837|jornal=ChemPhysChem|lingua=en|volume=17|numero=5|paginas=598–617|doi=10.1002/cphc.201500837|issn=1439-4235}}</ref> Porém, devido ao alto custo do índio, novos materiais ternários tem sido pesquisados, como os sulfetos de cobre e antimônio.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Baum|primeiro=Fábio|data=2016|titulo=Dinâmica de crescimento de nanopartículas de sulfeto de cobre e antimônio|url=http://hdl.handle.net/10183/148466|jornal=Dissertação de Mestrado|acessodata=}}</ref>

== Síntese ==
Os métodos de síntese de pontos quânticos podem ser classificados em “top-down”, onde uma partícula macroscópica é quebrada até atingir o tamanho nanométrico, e “bottom-up”, onde as nanopartículas são formadas a partir de reações químicas dos sais precursores.<ref name=":0" />

=== Métodos de síntese do tipo ''top-down'' ===
Os métodos de síntese ''top-down'' mais empregados são a [[litografia por feixe de elétrons]] (''etching)'', que pode ser químico ou por íons, a [[Ablação por laser|ablação à laser]] e o ''[[sputtering]]''.<ref name=":02">{{Citar periódico|ultimo=Silva|primeiro=Fernanda Oliveira|ultimo2=Viol|primeiro2=Lívia Cristina de Souza|ultimo3=Ferreira|primeiro3=Diego Lourençoni|ultimo4=Alves|primeiro4=José Luiz Aarestrup|ultimo5=Schiavon|primeiro5=Marco Antônio|data=2010|titulo=O estado da arte da síntese de semicondutores nanocristalinos coloidais|url=http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_abstract&pid=S0100-40422010000900021&lng=pt&nrm=iso&tlng=pt|jornal=Química Nova|volume=33|numero=9|paginas=1933–1939|doi=10.1590/S0100-40422010000900021|issn=0100-4042}}</ref> Outra técnica que pode ser usada para a fabricação de pontos quânticos é a ablação à laser. Essa técnica já foi empregada para a obtenção de pontos quânticos de PbS com uniformidade necessária para a aplicação em dispositivos (σ<10%). As técnicas ''top-down'' normalmente produzem uma maior quantidade de material, mas apresentam como desafio a obtenção de nanopartículas com pequena distribuição de tamanho e pequena concentração de defeitos estruturais.<ref name=":02" />

=== Métodos de síntese do tipo ''bottom-up'' ===
As técnicas ''bottom-up'' podem ser classificadas em duas grandes categorias: métodos em fase [[vapor]] e métodos químicos em fase [[Líquido|líquida]]. Os métodos em fase vapor incluem epitaxia de feixe molecular (MBE – ''Molecular Beam Epitaxy''), ''liquid metal ion source'' ou agregação de monômeros gasosos. Já os métodos químicos em fase líquida compreendem a [[microemulsão]], os métodos [[sol-gel]], solvotérmico, hidrotérmico, [[Eletroquímica|eletroquímico]], reação sucessiva de adsorção de camadas de íons (SILAR – ''Sucessive Ionic Layer Adsorption and Reaction'') e injeção a quente.<ref name=":1">{{Citar periódico|ultimo=Bera|primeiro=Debasis|ultimo2=Qian|primeiro2=Lei|ultimo3=Tseng|primeiro3=Teng-Kuan|ultimo4=Holloway|primeiro4=Paul H.|ultimo5=Bera|primeiro5=Debasis|ultimo6=Qian|primeiro6=Lei|ultimo7=Tseng|primeiro7=Teng-Kuan|ultimo8=Holloway|primeiro8=Paul H.|data=2010-03-24|titulo=Quantum Dots and Their Multimodal Applications: A Review|url=http://www.mdpi.com/1996-1944/3/4/2260|jornal=Materials|lingua=en|volume=3|numero=4|paginas=2260–2345|doi=10.3390/ma3042260|acessodata=}}</ref>

==== Microemulsão ====
O processo microemulsão envolve uma dispersão termodinamicamente estável de dois líquidos imiscíveis na presença de um [[emulsificante]] ou [[surfactante]], com subfases entre 10 e 100&nbsp;nm, que atuam como nanorreatores na síntese e nanocristais de semicondutores. A desvantagem deste método é a produção de nanopartículas com baixa cristalinidade, e a incorporação de impurezas e defeitos, o que acarreta baixos valores de [[rendimento quântico]] de [[luminescência]].<ref name=":1" />

==== Método de injeção a quente ====
O método de injeção a quente para síntese de pontos quânticos foi desenvolvido por Bawendi e colaboradores, em 1993.<ref>{{citar periódico|ultimo=Bawendi|primeiro=M. G.|data=1993|titulo=Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja00072a025|jornal=J. Am. Chem. Soc., 115 (19), 8706-8715, 1993|acessodata=}}</ref> Nestre trabalho pioneiro, pontos quânticos de seleneto de cádmio foram sintetizados utilizando óxido de trioctilfosfina como [[solvente]] e agente estabilizante. O precursor de selênio foi obtido através da reação entre selênio elementar e trioctilfosfina, enquanto que o precursor de cádmio usado foi o dimetil-cádmio.

Neste método, a solução do precursor de selênio é injetada no reator contendo o precursor de cádmio solubilizado em óxido de trioctilfosfina, levando à formação instantânea de núcleos de seleneto de cádmio. O óxido de trioctilfosfina é importante no controle da taxa de crescimento dos núcleos, coordenando os precursores de cádmio através da formação de uma barreira estérica para os reagentes. As moléculas de óxido de trioctilfosfina permanecem ligadas aos átomos de cádmio na superfície do nanocristal, mantendo a solução estável. Após a reação, os nanocristais são precipitados pela adição de um antissolvente e redispersos em um solvente orgânico apolar, resultando em uma suspensão coloidal estável.<ref name=":2">{{Citar periódico|ultimo=de Mello Donegá|primeiro=Celso|ultimo2=Liljeroth|primeiro2=Peter|ultimo3=Vanmaekelbergh|primeiro3=Daniel|data=2005|titulo=Physicochemical Evaluation of the Hot-Injection Method, a Synthesis Route for Monodisperse Nanocrystals|url=http://doi.wiley.com/10.1002/smll.200500239|jornal=Small|lingua=en|volume=1|numero=12|paginas=1152–1162|doi=10.1002/smll.200500239|issn=1613-6810|acessodata=}}</ref>

O método de injeção à quente demonstrou grande versatilidade e foi estendido para a síntese de diversos compostos, através da combinação de diferentes precursores, surfactantes e solventes. Os precursores organometálicos e o crescimento de partícula em altas temperaturas também possibilitou a síntese de outros semicondutores nanocristalinos, tais como compostos do grupo III-V (InAs, InP e GaP), do grupo IV-VI PbX (X – S, Se, Te), bem como compostos ternários e nanocristais metálicos.<ref name=":2" />

==== Montagem viral ====
[[Vírus]] [[bacteriófagos]] M13 geneticamente modifcados permitem a preparação de compósitos biológicos de pontos quânticos.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Lee|primeiro=Seung-Wuk|ultimo2=Mao|primeiro2=Chuanbin|ultimo3=Flynn|primeiro3=Christine E.|ultimo4=Belcher|primeiro4=Angela M.|data=2002-05-03|titulo=Ordering of Quantum Dots Using Genetically Engineered Viruses|url=http://science.sciencemag.org/content/296/5569/892|jornal=Science|lingua=en|volume=296|numero=5569|paginas=892–895|doi=10.1126/science.1068054|issn=0036-8075|pmid=11988570}}</ref> Já foi demonstrado que vírus geneticamente modificados podem reconhecer superfícies específicas de semicondutores.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Whaley|primeiro=Sandra R.|ultimo2=English|primeiro2=D. S.|ultimo3=Hu|primeiro3=Evelyn L.|ultimo4=Barbara|primeiro4=Paul F.|ultimo5=Belcher|primeiro5=Angela M.|data=2000|titulo=Selection of peptides with semiconductor binding specificity for directed nanocrystal assembly|url=http://www.nature.com/articles/35015043|jornal=Nature|lingua=en|volume=405|numero=6787|paginas=665–668|doi=10.1038/35015043|issn=0028-0836|acessodata=}}</ref> Ademais, estruturas de cristais líquidos de vírus selvagens (Fd, M13 e TMV) são ajustáveis através do controle da concentração das soluções, [[força iônica]] e [[campo magnético]] externo aplicado às soluções. Consequentemente, as propriedades específicas de reconhecimento do vírus podem ser usadas para organizar nanocristais inorgânicos, formando redes ordenadas sobre uma escala de comprimento definida pela formação de cristal líquido. Usando esta informação, Lee e colaboradores (2000) foram capazes de criar filmes autossuportados de ZnS, altamente orientados por um fago a partir de uma solução precursora. Este sistema permitiu a variação do comprimento do bacteriófago e do tipo de material inorgânico a partir de modificações genéticas e seleção.

== Toxicidade ==
Estudos sobre a [[toxicidade]] de pontos quânticos são focados em partículas contendo cádmio, sendo ainda necessária a demonstração em modelos animais após doses fisiologicamente relevantes.<ref name=":33">{{Citar periódico|ultimo=Tsoi|primeiro=Kim M.|ultimo2=Dai|primeiro2=Qin|ultimo3=Alman|primeiro3=Benjamin A.|ultimo4=Chan|primeiro4=Warren C. W.|data=2013-03-19|titulo=Are quantum dots toxic? Exploring the discrepancy between cell culture and animal studies|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22853558|jornal=Accounts of Chemical Research|volume=46|numero=3|paginas=662–671|doi=10.1021/ar300040z|issn=1520-4898|pmid=22853558}}</ref> Estudos ''[[in vitro]]'' da toxicidade de pontos quânticos sugerem que esta pode derivar de múltiplos fatores, tanto físico-químicos (tamanho, forma, composição, grupos funcionais superficiais e cargas superficiais) como ambientais.<ref name=":33"/><ref name=":4">{{Citar periódico|ultimo=Hardman|primeiro=Ron|data=2006|titulo=A Toxicologic Review of Quantum Dots: Toxicity Depends on Physicochemical and Environmental Factors|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1367826/|jornal=Environmental Health Perspectives|volume=114|numero=2|paginas=165–172|doi=10.1289/ehp.8284|issn=0091-6765|pmc=1367826|pmid=16451849|acessodata=}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Pelley|primeiro=Jennifer L.|ultimo2=Daar|primeiro2=Abdallah S.|ultimo3=Saner|primeiro3=Marc A.|data=2009-08-14|titulo=State of Academic Knowledge on Toxicity and Biological Fate of Quantum Dots|url=https://academic.oup.com/toxsci/article/1714008/State|jornal=Toxicological Sciences|lingua=en|volume=112|numero=2|paginas=276–296|doi=10.1093/toxsci/kfp188|issn=1096-6080|pmc=2777075|pmid=19684286|acessodata=}}</ref> O entendimento do potencial de toxicidade dos pontos quânticos é complexo, uma vez que esses fatores incluem propriedades como tamanho, carga, concentração, composição química, ligantes e também sua estabilidade oxidativa, mecânica e fotolítica.<ref name=":4" />

Diversos estudos focaram no mecanismo de citotoxicidade dos pontos quânticos usando culturas celulares. Pesquisadores demonstraram que após exposição à [[radiação ultravioleta]] ou [[Oxirredução|oxidação]] por ar atmosférico, pontos quânticos de seleneto de cádmio liberam íons livres de cádmio, causando morte celular.<ref>{{citar periódico|ultimo=Derfus|primeiro=Austin M.|data=2004|titulo=Probing the Cytotoxicity of Semiconductor Quantum Dots|url=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl0347334|jornal=Nano Letters|volume=4(1)|paginas=11–18|doi=10.1021/nl0347334|acessodata=}}</ref> Alguns estudos também demonstraram que a adição de uma casca de sulfeto de zinco inibe o processo de espécies reativas de oxigênio em pontos quânticos de seleneto de cádmio. Outro aspecto da toxicidade dos pontos quânticos são os caminhos intracelulares, dependentes do tamanho, que concentram estas partículas em organelas celulares que são inacessíveis aos íons metálicos, o que pode resultar em padrões únicos de citotoxicidade comparados aos seus íons metálicos constituintes.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Parak|primeiro=W.J.|ultimo2=Boudreau|primeiro2=R.|ultimo3=Gros|primeiro3=M. Le|ultimo4=Gerion|primeiro4=D.|ultimo5=Zanchet|primeiro5=D.|ultimo6=Micheel|primeiro6=C.M.|ultimo7=Williams|primeiro7=S.C.|ultimo8=Alivisatos|primeiro8=A.P.|ultimo9=Larabell|primeiro9=C.|data=2002-06-18|titulo=Cell Motility and Metastatic Potential Studies Based on Quantum Dot Imaging of Phagokinetic Tracks|url=https://doi.org/10.1002/1521-4095(20020618)14:12%3C882::AID-ADMA882%3E3.0.CO;2-Y|jornal=Advanced Materials|lingua=en|volume=14|numero=12|doi=10.1002/1521-4095(20020618)14:12%3C882::aid-adma882%3E3.0.co;2-y|issn=1521-4095}}</ref> Os relatos de localização de pontos quânticos no [[núcleo celular]]<ref>{{Citar periódico|ultimo=Green|primeiro=Mark|ultimo2=Howman|primeiro2=Emily|data=2005|titulo=Semiconductor quantum dots and free radical induced DNA nicking|url=http://xlink.rsc.org/?DOI=b413175d|jornal=Chemical Communications|lingua=en|volume=0|numero=1|paginas=121|doi=10.1039/b413175d|issn=1359-7345}}</ref> apresentam modos adicionais de toxicidade porque eles podem induzir mutações no DNA, o que irá se propagar às futuras gerações de células, causando doenças.

Apesar da concentração dos pontos quânticos em certas organelas ter sido reportada em estudos ''[[in vivo]]'' usando modelos animais, nenhuma alteração no comportamento do animal, peso, marcadores hematológicos ou danos aos órgãos foram encontrados em análises histológicas ou bioquímicas.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Hauck|primeiro=Tanya S.|ultimo2=Anderson|primeiro2=Robin E.|ultimo3=Fischer|primeiro3=Hans C.|ultimo4=Newbigging|primeiro4=Susan|ultimo5=Chan|primeiro5=Warren C. W.|data=2010-01-04|titulo=In vivo Quantum-Dot Toxicity Assessment|url=http://doi.wiley.com/10.1002/smll.200900626|jornal=Small|lingua=en|volume=6|numero=1|paginas=138–144|doi=10.1002/smll.200900626|issn=1613-6810}}</ref> Esses achados levaram os cientistas a acreditar que a dose intracelular é o fator mais importante para a toxicidade dos pontos quânticos. Portanto, fatores relacionados à endocitose, que determina a concentração efetiva intracelular, como tamanho e forma do ponto quântico, e suas características superficiais é que determinam sua toxicidade. A excreção dos pontos quânticos via urina em modelos animais também foi demonstrada por injeção de pontos quânticos de seleneto de cádmio encapsulados com sulfeto de zinco, radiomarcados, onde a casca ligante foi marcada com [[Tecnécio|<sup>99m</sup>Tc]].<ref name=":5">{{Citar periódico|ultimo=Fischer|primeiro=Hans C.|ultimo2=Hauck|primeiro2=Tanya S.|ultimo3=Gómez-Aristizábal|primeiro3=Alejandro|ultimo4=Chan|primeiro4=Warren C. W.|data=2010-05-20|titulo=Exploring Primary Liver Macrophages for Studying Quantum Dot Interactions with Biological Systems|url=http://doi.wiley.com/10.1002/adma.200904231|jornal=Advanced Materials|lingua=en|volume=22|numero=23|paginas=2520–2524|doi=10.1002/adma.200904231|issn=0935-9648}}</ref> Através de outros múltiplos estudos, concluíram que os níveis de retenção celular dos pontos quânticos<ref name=":33"/><ref name=":5" /> ainda é pouco entendida na literatura.

Ainda que esforços significativos em pesquisa foram realizados para o entendimento da toxicidade dos pontos quânticos, há grandes discrepâncias na literatura e questões ainda permanecem a serem respondidas. A diversidade nesta classe de material, se comparada às substâncias químicas convencionais torna a abordagem da sua toxicidade muito desafiadora. Como sua toxicidade também pode ser dinâmica, dependendo de fatores ambientais, como [[pH]], exposição à luz e tipo de célula, métodos tradicionais de identificação de toxicidade de químicos, como [[LD50]] não são aplicáveis aos pontos quânticos. Portanto, pesquisadores estão focando na introdução de novas abordagens e adaptando métodos existentes para incluir essa classe única de materiais.<ref name=":33"/> Além disso, novas estratégias para projetar pontos quânticos seguros ainda estão sendo explorados pela comunidade científica.

=== Pontos quânticos sem metais pesados ===
Os pontos quânticos têm dois problemas que os impediram de serem totalmente utilizados: 1. Eles são baseados em [[cádmio]], um [[Metal pesado|metal pesado tóxico]]. 2. os QDs de [[fósforo]] não são auto-emissivos, o que significa que precisam ser substituídos por diodos emissores de luz de QD para que sejam competitivamente eficientes usando uma estrutura que impede a oxidação de degradar o núcleo QD e também envolve a criação de uma concha em torno dele para impedir que a energia vaze.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Won|primeiro=Yu-Ho|ultimo2=Cho|primeiro2=Oul|ultimo3=Kim|primeiro3=Taehyung|ultimo4=Chung|primeiro4=Dae-Young|ultimo5=Kim|primeiro5=Taehee|ultimo6=Chung|primeiro6=Heejae|ultimo7=Jang|primeiro7=Hyosook|ultimo8=Lee|primeiro8=Junho|ultimo9=Kim|primeiro9=Dongho|data=novembro de 2019|titulo=Highly efficient and stable InP/ZnSe/ZnS quantum dot light-emitting diodes|url=https://www.nature.com/articles/s41586-019-1771-5|jornal=Nature|lingua=en|volume=575|numero=7784|paginas=634–638|doi=10.1038/s41586-019-1771-5|issn=1476-4687}}</ref> Eles substituíram o cádmio por [[fósforo de índio]],<ref>Lide, David R. (1998), ''Handbook of Chemistry and Physics'' (87 ed.), Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 4–61, ISBN 0-8493-0594-2</ref> um material muito mais ecológico.<ref>{{Citar web|titulo=More efficient quantum dots without heavy metals|url=https://www.techexplorist.com/more-efficient-quantum-dots-without-heavy-metals/28088/|obra=Tech Explorist|data=2019-12-01|acessodata=2019-12-03|lingua=en-US}}</ref>

== Propriedades ópticas ==
[[Ficheiro:CdTe PlasmaChem spectra-en.svg|miniaturadaimagem|Espectro de fluorescência de pontos quânticos de CdTe de vários tamanhos. Pontos quânticos de diferentes tamanhos emitem luz de cores diferentes devido ao efeito de confinamento quântico]]
Nos semicondutores, a absorção de luz faz com que um elétron seja excitado da [[banda de valência]] para a [[banda de condução]], deixando uma [[Buraco (semicondutores)|lacuna]]. O par elétron-lacuna é conhecido como [[Excíton|éxciton]]. Quando este éxciton se recombina (o elétron retorna ao seu estado fundamental), a energia do éxciton pode ser emitida como um fóton. Este fenômeno é conhecido como [[fluorescência]] quando ocorre rapidamente (nanosegundos) ou, de [[fosforescência]], quando ocorre lentamente (milissegundos até horas). Em um modelo simplificado, a energia do fóton emitido pode ser entendida como a diferença da energia entre o nível desocupado mais baixo da banda de condução e o nível ocupado mais alto da banda de valência.

Como a energia de confinamento depende do tamanho do ponto quântico, a posição do primeiro pico de absorção e a emissão de fluorescência podem ser modulados a partir do controle do tamanho do ponto quântico durante a síntese. Com o aumento no tamanho do ponto quântico, ocorre um desvio para o vermelho (menor energia) tanto na emissão, como na absorção de luz. Por outro lado, pontos quânticos menores absorvem e emitem luz de cor mais azul (alta energia). Artigos recentes na Nanotechnology e em outros periódicos começaram a sugerir que a forma do ponto quântico também pode ter influência no seu espectro de absorção e emissão, mas ainda não há informação suficiente disponível.

Além disso, foi demonstrado<ref>{{Citar periódico|ultimo=van Driel|primeiro=A. F.|data=2005|titulo=Frequency-Dependent Spontaneous Emission Rate from CdSe and CdTe Nanocrystals: Influence of Dark States|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.95.236804|jornal=Physical Review Letters|volume=95|numero=23|doi=10.1103/PhysRevLett.95.236804}}</ref> que o tempo de vida de fluorescência é determinado pelo tamanho do ponto quântico. Pontos quânticos maiores tem espaçamentos de energia mais estreitos, nos quais o par elétron-lacuna pode ser preso, levando a maiores tempos de vida de fluorescência. Para aumentar o rendimento quântico de fluorescência, pontos quânticos podem ser recobertos com “cascas” de um material com maior largura de banda proibida ao seu redor. É sugerido que a melhora venha da redução do acesso dos elétrons e lacunas à caminhos de recombinação não radiativa localizados na superfície, mas também devido a redução na recombinação Auger.

==Átomo artificial==
Um átomo artificial é um objeto que se [[Partícula composta|ligou]], estados eletrônicos discretos, como é o caso com [[átomo]]s ou [[molécula]]s que ocorrem naturalmente. Em um átomo artificial a [[carga]] e a [[Energia potencial elétrica|energia]] de uma [[Física de partículas|partícula]] suficientemente pequena de um metal ou [[semicondutor]] são [[Mecânica quântica|quantizadas]] tal como as de um átomo. Os pontos quânticos de semicondutores são o exemplo mais comum de átomos artificiais, e são analogias para átomos reais.<ref>{{citar web|url = http://web.mit.edu/course/6/6.732/www/new_appendices.pdf|título= Time–Independent Perturbation Theory|data= 2001|acessodata=1 de Dezembro de 2014|website = 6.732 SOLID STATE PHYSICS|publicado= Massachusetts Institute of Technology|último = Dresselhaus|primeiro = M. S.}}</ref> A corrente através de um ponto quântico ou um [[Bloqueio de Coulomb#Transistores de único elétron|elétron transistor]] revela características pseudo-atômicas. Na forma de pontos quânticos, eles são constituídos de dezenas de milhares de átomos. Eles são como átomos individuais de uma maneira importante: quando recebem com a quantidade certa de energia (ou [[Estado quântico|quanta]]), eles vão absorver essa energia e pode liberara-la como luz colorida<ref name="ashoori1996electrons">
{{citar periódico
 |último =Ashoori |primeiro =R. C.  |ano=1996  |título=Electrons in artificial atoms  |periódico=[[Nature (journal)|Nature]]  |volume=379 |número=6564 |páginas=413–419  |bibcode=1996Natur.379..413A  |doi=10.1038/379413a0 }}</ref>

== Aplicações ==
Pontos quânticos são particularmente promissores para aplicações ópticas devido aos seus altos [[Coeficiente de extinção|coeficientes de extinção]] e emissão.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Leatherdale|primeiro=C. A.|ultimo2=Woo|primeiro2=W.-K.|ultimo3=Mikulec|primeiro3=F. V.|ultimo4=Bawendi|primeiro4=M. G.|data=2002|titulo=On the Absorption Cross Section of CdSe Nanocrystal Quantum Dots|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp025698c|jornal=The Journal of Physical Chemistry B|lingua=en|volume=106|numero=31|paginas=7619–7622|doi=10.1021/jp025698c|issn=1520-6106|acessodata=}}</ref> Eles apresentam potencial para uso em diodos, lasers, amplificadores e sensores biológicos. Pontos quânticos de alta qualidade são adequados para codificação óptica e aplicações de [[multiplexação]] devido a seus perfis amplos de absorção e espectros de emissão estreitos e simétricos. As novas gerações de pontos quânticos tem alcançado potencial para estudos de processos intracelulares de molécula única, alta resolução em imageamento celular, observações in vivo a longo prazo, tumores e diagnóstico.

=== Computação ===
A tecnologia de pontos quânticos é potencialmente relevante para [[computação quântica]] de estado sólido. Aplicando pequenas tensões aos eletrodos, a corrente que passa através do ponto quântico pode ser controlada e, portanto, medições precisas do spin e outras propriedades podem ser feitas. Com muitos pontos quânticos emaranhados, ou [[qubits]], mais uma forma de realizar operações, cálculos e computadores quânticos pode ser possível.  O spin de um elétron é um candidato promissor para ser usado como a menor unidade de informação ([[qubit]]) de um [[computador quântico]].<ref>[https://www.techexplorist.com/how-single-electron-looks-artificial-atom/23447/ How does a single electron looks in an artificial atom? This can improve the control of electron spins, which could serve as the smallest information unit of a future quantum computer.] por Amit Malewar (2019)</ref>

=== Biologia ===
Em análise biológica moderna, vários tipos de [[Fluoróforo|corantes orgânicos]] são usados. Entretanto, com o avanço da tecnologia, se procura uma maior flexibilidade nesses corantes.<ref name=":6">{{Citar periódico|ultimo=Walling|primeiro=Maureen|ultimo2=Novak|primeiro2=Jennifer|ultimo3=Shepard|primeiro3=Jason R. E.|ultimo4=Walling|primeiro4=Maureen A.|ultimo5=Novak|primeiro5=Jennifer A.|ultimo6=Shepard|primeiro6=Jason R. E.|data=2009-02-03|titulo=Quantum Dots for Live Cell and In Vivo Imaging|url=http://www.mdpi.com/1422-0067/10/2/441|jornal=International Journal of Molecular Sciences|lingua=en|volume=10|numero=2|paginas=441–491|doi=10.3390/ijms10020441|pmc=2660663|pmid=19333416|acessodata=}}</ref> Com este fim, pontos quânticos rapidamente preencheram o papel, se mostrando superiores aos tradicionais corantes orgânicos diversas vezes, tendo como características principais o brilho (devido ao alto coeficiente de extinção combinado com um rendimento quântico comparável ao dos corantes fluorescentes<ref>{{Citar periódico|ultimo=Michalet|primeiro=X.|ultimo2=Pinaud|primeiro2=F. F.|ultimo3=Bentolila|primeiro3=L. A.|ultimo4=Tsay|primeiro4=J. M.|ultimo5=Doose|primeiro5=S.|ultimo6=Li|primeiro6=J. J.|ultimo7=Sundaresan|primeiro7=G.|ultimo8=Wu|primeiro8=A. M.|ultimo9=Gambhir|primeiro9=S. S.|data=2005-01-28|titulo=Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging, and Diagnostics|url=http://science.sciencemag.org/content/307/5709/538|jornal=Science|lingua=en|volume=307|numero=5709|paginas=538–544|doi=10.1126/science.1104274|issn=0036-8075|pmc=1201471|pmid=15681376|acessodata=}}</ref>), e a estabilidade. Estimativas dizem que pontos quânticos são 20 vezes mais brilhantes e 100 vezes mais estáveis que os fluoróforos tradicionais.<ref name=":6" /> Para rastreamento de única partícula, a cintilação irregular dos pontos quânticos é uma desvantagem pequena. Entretanto, existem diversos grupos que desenvolveram pontos quânticos que são essencialmente não cintilantes e demonstraram sua utilidade em experimentos de rastreamento de molécula única.<ref>{{Citar livro|url=https://www.worldcat.org/oclc/1027570314|título=Fluorescence Microscopy In Life Sciences|ultimo=Castro.|primeiro=Alfonso Blazquez|data=2017|editora=Bentham Science Publishers|isbn=9781681085197|oclc=1027570314}}</ref><ref>{{Citar periódico|ultimo=Marchuk|primeiro=Kyle|ultimo2=Guo|primeiro2=Yijun|ultimo3=Sun|primeiro3=Wei|ultimo4=Vela|primeiro4=Javier|ultimo5=Fang|primeiro5=Ning|data=2012-04-02|titulo=High-Precision Tracking with Non-blinking Quantum Dots Resolves Nanoscale Vertical Displacement|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja301332t|jornal=Journal of the American Chemical Society|lingua=en|volume=134|numero=14|paginas=6108–6111|doi=10.1021/ja301332t|issn=0002-7863}}</ref>

O uso de pontos quânticos para imageamento celular de alta sensibilidade tem tido seus maiores avanços.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Lane|primeiro=Lucas A.|ultimo2=Smith|primeiro2=Andrew M.|ultimo3=Lian|primeiro3=Tianquan|ultimo4=Nie|primeiro4=Shuming|data=2014-09-08|titulo=Compact and Blinking-Suppressed Quantum Dots for Single-Particle Tracking in Live Cells|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp5064325|jornal=The Journal of Physical Chemistry B|lingua=en|volume=118|numero=49|paginas=14140–14147|doi=10.1021/jp5064325|issn=1520-6106|pmc=4266335|pmid=25157589|acessodata=}}</ref> A melhor fotoestabilidade dos pontos quânticos, por exemplo, permitem a aquisição de muitos focos de planos nas imagens consecutivas que podem ser reconstruídas em uma imagem tridimensional de alta resolução.<ref>{{Citar periódico|ultimo=SPIE|data=2014-03-04|titulo=Paul Selvin Hot Topics presentation: New Small Quantum Dots for Neuroscience|url=http://www.spie.org/x106518.xml|jornal=SPIE Newsroom|doi=10.1117/2.3201403.17|issn=1818-2259}}</ref> Outra aplicação que se aproveita da extraordinária fotoestabilidade dos pontos quânticos é o rastreamento em tempo real de moléculas e células por extensos períodos de tempo.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Tokumasu|primeiro=Fuyuki|ultimo2=Fairhurst|primeiro2=Rick M.|ultimo3=Ostera|primeiro3=Graciela R.|ultimo4=Brittain|primeiro4=Nathaniel J.|ultimo5=Hwang|primeiro5=Jeeseong|ultimo6=Wellems|primeiro6=Thomas E.|ultimo7=Dvorak|primeiro7=James A.|data=2005-03-01|titulo=Band 3 modifications in Plasmodium falciparum-infected AA and CC erythrocytes assayed by autocorrelation analysis using quantum dots|url=http://jcs.biologists.org/content/118/5/1091|jornal=J Cell Sci|lingua=en|volume=118|numero=5|paginas=1091–1098|doi=10.1242/jcs.01662|issn=0021-9533|pmid=15731014}}</ref> Anticorpos, estreptavidina,<ref>{{Citar periódico|ultimo=Dahan|primeiro=Maxime|ultimo2=Lévi|primeiro2=Sabine|ultimo3=Luccardini|primeiro3=Camilla|ultimo4=Rostaing|primeiro4=Philippe|ultimo5=Riveau|primeiro5=Béatrice|ultimo6=Triller|primeiro6=Antoine|data=2003-10-17|titulo=Diffusion Dynamics of Glycine Receptors Revealed by Single-Quantum Dot Tracking|url=http://science.sciencemag.org/content/302/5644/442|jornal=Science|lingua=en|volume=302|numero=5644|paginas=442–445|doi=10.1126/science.1088525|issn=0036-8075|pmid=14564008}}</ref> peptídeos,<ref>{{Citar periódico|ultimo=Howarth|primeiro=Mark|ultimo2=Liu|primeiro2=Wenhao|ultimo3=Puthenveetil|primeiro3=Sujiet|ultimo4=Zheng|primeiro4=Yi|ultimo5=Marshall|primeiro5=Lisa F|ultimo6=Schmidt|primeiro6=Michael M|ultimo7=Wittrup|primeiro7=K Dane|ultimo8=Bawendi|primeiro8=Moungi G|ultimo9=Ting|primeiro9=Alice Y|data=2008-04-20|titulo=Monovalent, reduced-size quantum dots for imaging receptors on living cells|url=http://www.nature.com/articles/nmeth.1206|jornal=Nature Methods|lingua=en|volume=5|numero=5|paginas=397–399|doi=10.1038/nmeth.1206|issn=1548-7091|pmc=2637151|pmid=18425138|acessodata=}}</ref> DNA,<ref>{{Citar periódico|ultimo=Farlow|primeiro=Justin|ultimo2=Seo|primeiro2=Daeha|ultimo3=Broaders|primeiro3=Kyle E|ultimo4=Taylor|primeiro4=Marcus J|ultimo5=Gartner|primeiro5=Zev J|ultimo6=Jun|primeiro6=Young-wook|data=2013-10-13|titulo=Formation of targeted monovalent quantum dots by steric exclusion|url=http://www.nature.com/articles/nmeth.2682|jornal=Nature Methods|lingua=en|volume=10|numero=12|paginas=1203–1205|doi=10.1038/nmeth.2682|issn=1548-7091|pmc=3968776|pmid=24122039|acessodata=}}</ref> aptameros de ácidos nucleicos,<ref>{{Citar periódico|ultimo=Dwarakanath|primeiro=Sulatha|ultimo2=Bruno|primeiro2=John G.|ultimo3=Shastry|primeiro3=Anant|ultimo4=Phillips|primeiro4=Taylor|ultimo5=John|primeiro5=Ashely|ultimo6=Kumar|primeiro6=Ashok|ultimo7=Stephenson|primeiro7=Larry D.|data=2004|titulo=Quantum dot-antibody and aptamer conjugates shift fluorescence upon binding bacteria|url=http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0006291X04023940|jornal=Biochemical and Biophysical Research Communications|volume=325|numero=3|paginas=739–743|doi=10.1016/j.bbrc.2004.10.099|issn=0006-291X|acessodata=}}</ref> ou pequenas moléculas ligantes<ref>{{Citar periódico|ultimo=Zherebetskyy|primeiro=Danylo|ultimo2=Scheele|primeiro2=Marcus|ultimo3=Zhang|primeiro3=Yingjie|ultimo4=Bronstein|primeiro4=Noah|ultimo5=Thompson|primeiro5=Christopher|ultimo6=Britt|primeiro6=David|ultimo7=Salmeron|primeiro7=Miquel|ultimo8=Alivisatos|primeiro8=Paul|ultimo9=Wang|primeiro9=Lin-Wang|data=2014-06-20|titulo=Hydroxylation of the surface of PbS nanocrystals passivated with oleic acid|url=http://science.sciencemag.org/content/344/6190/1380|jornal=Science|lingua=en|volume=344|numero=6190|paginas=1380–1384|doi=10.1126/science.1252727|issn=0036-8075|pmid=24876347}}</ref> podem ser usadas como alvos de pontos quânticos para proteínas ou células específicas. Pesquisadores foram capazes de observar pontos quânticos em [[Linfonodo|nódulos linfáticos]] de [[camundongo]]s por mais de 4 meses.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Ballou|primeiro=Byron|ultimo2=Lagerholm|primeiro2=B. Christoffer|ultimo3=Ernst|primeiro3=Lauren A.|ultimo4=Bruchez|primeiro4=Marcel P.|ultimo5=Waggoner|primeiro5=Alan S.|data=2004|titulo=Noninvasive Imaging of Quantum Dots in Mice|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/bc034153y|jornal=Bioconjugate Chemistry|lingua=en|volume=15|numero=1|paginas=79–86|doi=10.1021/bc034153y|issn=1043-1802|acessodata=}}</ref>

Pontos quânticos também tem sido empregados para imageamento in vitro de células pré-marcadas. A capacidade de obter imagem da migração de uma única célula em tempo real é importante para diversas áreas de pesquisa, como embriogênesis, metástase de cânceres, terapia com [[Célula-tronco|células-tronco]] e imunologia de linfócitos.

Outra aplicação dos pontos quânticos em biologia é como fluoróforos doadores em [[Transferência de energia de ressonância por fluorescência|Transferência de energia por ressonância de Förster]], onde o maior coeficiente de extinção e pureza espectral desses fluorófors fazem eles superiores a fluoróforos moleculares.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Resch-Genger|primeiro=Ute|ultimo2=Grabolle|primeiro2=Markus|ultimo3=Cavaliere-Jaricot|primeiro3=Sara|ultimo4=Nitschke|primeiro4=Roland|ultimo5=Nann|primeiro5=Thomas|data=2008-08-28|titulo=Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels|url=http://www.nature.com/articles/nmeth.1248|jornal=Nature Methods|lingua=en|volume=5|numero=9|paginas=763–775|doi=10.1038/nmeth.1248|issn=1548-7091}}</ref> Também é válido notar que a ampla absorbância dos pontos quânticos permitem excitação seletiva do ponto quântico doador e uma mínima excitação do corante receptor em estudos baseados em FRET.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Algar|primeiro=W. Russ|ultimo2=Krull|primeiro2=Ulrich J.|data=2007-11-07|titulo=Quantum dots as donors in fluorescence resonance energy transfer for the bioanalysis of nucleic acids, proteins, and other biological molecules|url=http://link.springer.com/10.1007/s00216-007-1703-3|jornal=Analytical and Bioanalytical Chemistry|lingua=en|volume=391|numero=5|paginas=1609–1618|doi=10.1007/s00216-007-1703-3|issn=1618-2642}}</ref> A aplicabilidade do modelo FRET, que assume que os pontos quânticos podem ser aproximados como um ponto de dipolo, tem sido recentemente demonstradas.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Beane|primeiro=Gary|ultimo2=Boldt|primeiro2=Klaus|ultimo3=Kirkwood|primeiro3=Nicholas|ultimo4=Mulvaney|primeiro4=Paul|data=2014-07-22|titulo=Energy Transfer between Quantum Dots and Conjugated Dye Molecules|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jp502033d|jornal=The Journal of Physical Chemistry C|lingua=en|volume=118|numero=31|paginas=18079–18086|doi=10.1021/jp502033d|issn=1932-7447}}</ref>

O uso de pontos quânticos alvejando tumores em condições in vivo emprega dois esquemas de alvejamento: ativo e passivo. No caso do alvejamento ativo, pontos quânticos funcionalizados com sítios de ligação específicos para o tumor são ligados seletivamente às células do tumor. Alvejamento passivo usa a aumentada capacidade de permeação e retenção das células do tumor para entregar as sondas de pontos quânticos. Células cancerosas de crescimento rápido tipicamente tem membranas mais permeáveis que células saudáveis, permitindo o vazamento de pequenas nanopartículas para o interior da célula. Ademais, células cancerosas não tem um sistema linfático de drenagem efetivo, que leva a uma subsequente acumulação das nanopartículas.

A entrega dos pontos quânticos não danificados ao [[citoplasma]] das células tem sido um desafio com as técnicas existentes. Métodos baseados em vetores resultaram na agregação e sequestro endosomal dos pontos quânticos, enquanto que eletroporação pode danificar  as partículas de semicondutores e agregar os pontos entregues no citosol. Por Cell Squeeze, pontos quânticos podem ser efetivamente entregues sem agregação induzida, material retido nos endossomos ou perda significativa da viabilidade celular. Além disso, foi mostrado que pontos quânticos individuais entregues por este método são detectáveis no citosol celular, ilustrando o potencial desta técnica para estudos de rastreamento de uma única molécula.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Sharei|primeiro=Armon|ultimo2=Zoldan|primeiro2=Janet|ultimo3=Adamo|primeiro3=Andrea|ultimo4=Sim|primeiro4=Woo Young|ultimo5=Cho|primeiro5=Nahyun|ultimo6=Jackson|primeiro6=Emily|ultimo7=Mao|primeiro7=Shirley|ultimo8=Schneider|primeiro8=Sabine|ultimo9=Han|primeiro9=Min-Joon|data=2013-02-05|titulo=A vector-free microfluidic platform for intracellular delivery|url=http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1218705110|jornal=Proceedings of the National Academy of Sciences|volume=110|numero=6|paginas=2082–2087|doi=10.1073/pnas.1218705110|pmc=3568376|pmid=23341631|acessodata=}}</ref>

=== Dispositivos fotovoltaicos ===
O [[espectro]] de absorção modulável e alto coeficiente de extinção dos pontos quânticos tornam esses materiais atrativos para tecnologias coletoras de luz como os [[Efeito fotovoltaico|fotovoltaicos]]. Pontos quânticos podem ser capazes de aumentar a eficiência e reduzir o custo quando comparados com [[Célula solar|células fotovoltaicas]] típicas de silício. De acordo com uma prova experimental de 2004,<ref>{{Citar periódico|ultimo=Schaller|primeiro=R. D.|data=2004|titulo=High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy Conversion|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.92.186601|jornal=Physical Review Letters|volume=92|numero=18|doi=10.1103/PhysRevLett.92.186601}}</ref> pontos quânticos de seleneto de chumbo podem produzir mais de um éxciton a partir de um fóton de alta energia via processo de multiplicação de carregadores ou geração múltipla de éxcitons. Isto gera uma vantagem sobre as células atuais, que podem produzir somente um éxciton por fóton de alta energia, com os carregadores de alta energia cinética perdendo sua energia na forma de calor. Pontos quânticos fotovoltaicos podem, teoricamente, ser mais baratos de fabricar, uma vez que podem ser feitos a partir de reações químicas simples.

==== Células solares baseadas somente em pontos quânticos ====

Monocamadas de aromáticos automontados (MAA), por exemplo, ácido 4-nitrobenzóico, podem ser usados para aumentar o alinhamento de bandas nos eletrodos para melhorar a eficiência. Esta técnica proporcionou uma conversão recorde de 10,7%.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Kim|primeiro=Gi-Hwan|ultimo2=García de Arquer|primeiro2=F. Pelayo|ultimo3=Yoon|primeiro3=Yung Jin|ultimo4=Lan|primeiro4=Xinzheng|ultimo5=Liu|primeiro5=Mengxia|ultimo6=Voznyy|primeiro6=Oleksandr|ultimo7=Yang|primeiro7=Zhenyu|ultimo8=Fan|primeiro8=Fengjia|ultimo9=Ip|primeiro9=Alexander H.|data=2015-11-02|titulo=High-Efficiency Colloidal Quantum Dot Photovoltaics via Robust Self-Assembled Monolayers|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5b03677|jornal=Nano Letters|lingua=en|volume=15|numero=11|paginas=7691–7696|doi=10.1021/acs.nanolett.5b03677|issn=1530-6984}}</ref> A MAA é posicionada entre a junção filmes de pontos quânticos coloidais de ZnO/PbS para modificar o alinhamento de bandas via momento de dipolo da molécula constituinte da MAA e o modulamento de banda pode ocorrer via densidade, dipolo e orientação da molécula MAA.<ref name=":7">{{Citar periódico|ultimo=Krebs|primeiro=Frederik C.|ultimo2=Tromholt|primeiro2=Thomas|ultimo3=Jørgensen|primeiro3=Mikkel|data=2010|titulo=Upscaling of polymer solar cell fabrication using full roll-to-roll processing|url=http://xlink.rsc.org/?DOI=b9nr00430k|jornal=Nanoscale|lingua=en|volume=2|numero=6|paginas=873|doi=10.1039/b9nr00430k|issn=2040-3364}}</ref>

==== Pontos quânticos em células solares híbridas ====
Pontos quânticos coloidais também são usados em céluas solares híbridas inorgânicas/orgânicas. Estes dispositivos são atrativos por causa de seu potencial baixo-custo de fabricação e alta eficiência.<ref name=":8">{{Citar periódico|ultimo=Park|primeiro=Kwang-Tae|ultimo2=Kim|primeiro2=Han-Jung|ultimo3=Park|primeiro3=Min-Joon|ultimo4=Jeong|primeiro4=Jun-Ho|ultimo5=Lee|primeiro5=Jihye|ultimo6=Choi|primeiro6=Dae-Geun|ultimo7=Lee|primeiro7=Jung-Ho|ultimo8=Choi|primeiro8=Jun-Hyuk|data=2015-07-15|titulo=13.2% efficiency Si nanowire/PEDOT:PSS hybrid solar cell using a transfer-imprinted Au mesh electrode|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26174964|jornal=Scientific Reports|volume=5|paginas=12093|doi=10.1038/srep12093|issn=2045-2322|pmc=4502511|pmid=26174964|acessodata=}}</ref> A incorporação de nanomateriais de óxidos metálicos, como ZnO, TiO<sub>2</sub>,Nb<sub>2</sub>O<sub href="International Standard Serial Number">5</sub> em fotovoltaicos orgânicos tem sido comercializada usando processamento roll-to-roll.<ref name=":8" /> Uma eficiência de conversão de 13,2% já foi alcançada em uma célula híbrida com nanofios/PEDOT:PSS.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Leschkies|primeiro=Kurtis S.|ultimo2=Divakar|primeiro2=Ramachandran|ultimo3=Basu|primeiro3=Joysurya|ultimo4=Enache-Pommer|primeiro4=Emil|ultimo5=Boercker|primeiro5=Janice E.|ultimo6=Carter|primeiro6=C. Barry|ultimo7=Kortshagen|primeiro7=Uwe R.|ultimo8=Norris|primeiro8=David J.|ultimo9=Aydil|primeiro9=Eray S.|data=2007|titulo=Photosensitization of ZnO Nanowires with CdSe Quantum Dots for Photovoltaic Devices|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl070430o|jornal=Nano Letters|lingua=en|volume=7|numero=6|paginas=1793–1798|doi=10.1021/nl070430o|issn=1530-6984|acessodata=}}</ref>

==== Pontos quânticos com nanofios em células solares ====
Outro potencial de uso envolve [[nanofio]]s monocristalinos de ZnO encapsulados com pontos quânticos de CdSe, imersos em ácido mercaptopropiônico como meio de transporte de lacunas a fim de obter uma célula solar sensibilizada por PQs. A morfologia dos nanofios permite que os elétrons tenham um caminho direto para o fotoânodo. Esta forma de célula solar exibe eficiências quânticas internas de 50 a 60%.<ref name=":7" />

Nanofios de silício (SiNW) cobertos com [[pontos quânticos de carbono]]. O uso de SiNW ao invés de silício planar aumenta as propriedades antirreflexão do silício.<ref name=":9">{{Citar periódico|ultimo=Xie|primeiro=Chao|ultimo2=Nie|primeiro2=Biao|ultimo3=Zeng|primeiro3=Longhui|ultimo4=Liang|primeiro4=Feng-Xia|ultimo5=Wang|primeiro5=Ming-Zheng|ultimo6=Luo|primeiro6=Linbao|ultimo7=Feng|primeiro7=Mei|ultimo8=Yu|primeiro8=Yongqiang|ultimo9=Wu|primeiro9=Chun-Yan|data=2014-03-31|titulo=Core–Shell Heterojunction of Silicon Nanowire Arrays and Carbon Quantum Dots for Photovoltaic Devices and Self-Driven Photodetectors|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/nn501001j|jornal=ACS Nano|lingua=en|volume=8|numero=4|paginas=4015–4022|doi=10.1021/nn501001j|issn=1936-0851}}</ref> Os SiNW exibem um efeito de aprisionamento da luz devido aos nanofios. Este uso de SiNWs em conjunto com pontos quânticos de carbono resultaram em uma célula solar que alcançou uma eficiência de 9,10%.<ref name=":9" />

Pontos quânticos de [[grafeno]] também tem sido misturados com materiais eletrônicos orgânicos para melhorar a eficiência e baixar o custo de dispositivos fotovoltaicos e diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs) em comparação a folhas de grafeno. Estes pontos quânticos de grafeno foram funcionalizados com ligantes orgânicos que demonstram fotoluminescência a partir de absorção no UV-Vis.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Gupta|primeiro=Vinay|ultimo2=Chaudhary|primeiro2=Neeraj|ultimo3=Srivastava|primeiro3=Ritu|ultimo4=Sharma|primeiro4=Gauri Datt|ultimo5=Bhardwaj|primeiro5=Ramil|ultimo6=Chand|primeiro6=Suresh|data=2011-07-06|titulo=Luminscent Graphene Quantum Dots for Organic Photovoltaic Devices|url=http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja2036749|jornal=Journal of the American Chemical Society|lingua=en|volume=133|numero=26|paginas=9960–9963|doi=10.1021/ja2036749|issn=0002-7863}}</ref>

=== Dispositivos emissores de luz ===
Vários métodos foram propostos para o uso de pontos quânticos para melhorar os projetos existentes de diodos emissores de luz (LEDs), incluindo telas de Diodos Emissores de Luz de Pontos Quânticos (QLEDs) e telas de Diodos Emissores de Luz Branca de Pontos Quânticos (Q-WLED). Uma vez que pontos quânticos produzem naturalmente cores monocromáticas, eles podem ser mais eficientes do que fontes de luz que precisam ser filtradas. QLEDs podem ser fabricados em um substrato de silício, que permite que eles sejam integrados em um circuito integrado padrão de silício ou sistemas microeletromecânicos.<ref>{{citar web|url=https://web.archive.org/web/20170926042604/http://nanotechweb.org/cws/article/lab/39721|titulo=Nano LEDs printed on silicon|data=2009-07-03|acessodata=|publicado=|ultimo=|primeiro=}}</ref> Pontos quânticos são valiosos para telas, porque eles emitem luz em uma [[distribuição gaussiana]] muito específica. Isto pode resultar em uma tela com cores visivelmente mais precisas. Uma tela convencional de [[cristal líquido]] (LCD) é normalmente retroiluminada por [[Lâmpada fluorescente|lâmpadas fluorescentes]] (CCFLs) ou LEDs brancos convencionais, cuja luz é filtrada para produzir pixels vermelhos, verdes e azuis. Um melhoramento é usar LEDs azuis convencionais como fonte de luz e converter parte da luz emitida em luz verde e vermelha puras posicionando os pontos quânticos apropriados na frente do LED azul ou usando um ponto quântico infuso na folha difusora na luz de retroiluminação. Este tipo de luz branca como retroiluminação em painéis LCD permite uma melhor gama de cores a um custo menor que a combinação RGB usando três diferentes LEDs.

A habilidade dos PQs de converter e modular precisamente um espectro faz deles atrativos para telas [[LCD]]. A tecnologia anterior de LCD desperdiça energia convertendo luz branca pobre em vermelho e verde e rico em amarelo e azul em uma luz mais balanceada. Usando PQs, somente as cores necessárias para formar imagens ideais estão contidas na tela. O resultado é uma tela mais brilhante, mais clara e com maior eficiência energética. A primeira aplicação comercial de pontos quânticos foi a Sony série XBR X900A de televisores de tela plana lançados em 2013.<ref>{{citar web|url=https://www.technologyreview.com/s/509801/quantum-dots-get-commercial-debut-in-more-colorful-sony-tvs/.com|titulo=Quantum Dots Get Commercial Debut in More Colorful Sony TVs|data=2013-11-01|acessodata=|publicado=|ultimo=Bullis|primeiro=Kevin}}</ref>

Em junho de 2006, a QD Vision anunciou sucesso em construir uma prova de conceito de uma tela de pontos quânticos e mostraram uma emissão brilhante na região visível e infravermelho próximo do espectro. Um QLED integrado a uma sonda de microscópio eletrônico de varredura foi usada para demonstrar a fluorescência em microscopia óptica de varredura em campo próximo (NSOM).<ref>{{Citar periódico|ultimo=Hoshino|primeiro=Kazunori|ultimo2=Gopal|primeiro2=Ashwini|ultimo3=Glaz|primeiro3=Micah S.|ultimo4=Vanden Bout|primeiro4=David A.|ultimo5=Zhang|primeiro5=Xiaojing|data=2012-07-23|titulo=Nanoscale fluorescence imaging with quantum dot near-field electroluminescence|url=http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.4739235|jornal=Applied Physics Letters|lingua=en|volume=101|numero=4|paginas=043118|doi=10.1063/1.4739235|issn=0003-6951}}</ref>

=== Dispositivos fotodetectores ===
Fotodetectores de pontos quânticos (QDPs) podem ser fabricados tanto por processamento em solução<ref>{{Citar periódico|ultimo=Konstantatos|primeiro=Gerasimos|ultimo2=Sargent|primeiro2=Edward H.|data=2009|titulo=Solution-Processed Quantum Dot Photodetectors|url=http://ieeexplore.ieee.org/document/5247124/|jornal=Proceedings of the IEEE|lingua=en-US|volume=97|numero=10|paginas=1666–1683|doi=10.1109/jproc.2009.2025612|issn=0018-9219|acessodata=}}</ref> ou por processos convencionais de semicondutores monocristalinos.<ref>{{Citar periódico|ultimo=VAILLANCOURT|primeiro=JARROD|ultimo2=VASINAJINDAKAW|primeiro2=PUMINUN|ultimo3=LU|primeiro3=XUEJUN|data=2011|titulo=A HIGH OPERATING TEMPERATURE (HOT) MIDDLE WAVE INFRARED (MWIR) QUANTUM-DOT PHOTODETECTOR|url=http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S1793528811000196|jornal=Optics and Photonics Letters|lingua=en|volume=04|numero=02|paginas=57–61|doi=10.1142/s1793528811000196|issn=1793-5288|acessodata=}}</ref> QDPs de semicondutores monocristalinos convencionais são impedidos de se integrarem com eletrônicos flexíveis orgânicos devido a incompatibilidade de suas condições de crescimento com os processos necessários para os semicondutores orgânicos. Por outro lado, QDPs processados em solução podem ser facilmente integrados com uma variedade quase infinita de substratos e também pós-processados sobre outros circuitos integrados. Tais QDPs coloidais tem aplicações potenciais em vigilância, visão de máquinas, inspeção industrial, espectroscopia e imageamento biomédico fluorescente.

=== Fotocatálise ===
Pontos quânticos também funcionam como fotocatalisadores para conversão química da água em hidrogênio catalisada pela luz, um caminho para um combustível solar. Na fotocatálise, o par elétron-lacuna é formado, catalisando reações de redução no líquido nos arredores. Geralmente, a atividade fotocatalítica dos pontos quânticos é relacionada ao tamanho da partícula e seu grau de confinamento quântico.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Zhao|primeiro=Jing|ultimo2=Holmes|primeiro2=Michael A.|ultimo3=Osterloh|primeiro3=Frank E.|data=2013-04-24|titulo=Quantum Confinement Controls Photocatalysis: A Free Energy Analysis for Photocatalytic Proton Reduction at CdSe Nanocrystals|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/nn400826h|jornal=ACS Nano|lingua=en|volume=7|numero=5|paginas=4316–4325|doi=10.1021/nn400826h|issn=1936-0851}}</ref> Isto por que a largura da banda proibida determina a energia química que é armazenada no ponto quântico no estado excitado. Um obstáculo para o uso de pontos quânticos em fotocatálise é a presença de surfactantes em sua superfície. Estes surfactantes (ou ligantes) interferem na reatividade química dos pontos pela redução dos processos de transferência de massa e de elétrons. Além disso, pontos quânticos feitos de calcogenetos metálicos são quimicamente instáveis sob condições oxidantes e sofrem reações de fotocorrosão.

== Teoria ==
Pontos quânticos são descritos teoricamente como entidades pontuais ou zero-dimensionais. A maioria de suas propriedades depende de seu tamanho, forma e composição.<ref>{{Citar periódico |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927025620306388 |titulo=Theoretical investigation on the effects of electric field on the electronic structure and spectroscopic properties of Zn6−xCdxS6 clusters as model systems of semiconductor quantum dots |data=2021-02-15 |acessodata=2021-11-30 |jornal=Computational Materials Science |ultimo=de Jesus |primeiro=João Paulo Almirão |ultimo2=Jimenez |primeiro2=Manuel Zuloeta |paginas=110147 |lingua=en |doi=10.1016/j.commatsci.2020.110147 |issn=0927-0256 |ultimo3=La Porta |primeiro3=Felipe de Almeida}}</ref> Geralmente, pontos quânticos apresentam propriedades termodinâmicas diferentes dos materiais macroscópicos. Um desses efeitos é a diminuição do ponto de fusão.{{carece de fontes|data=dezembro de 2019}}

=== Confinamento quântico em semicondutores ===
Em um nanocristal de semicondutor cujo raio é menor que o [[raio de Bohr]] do composto, os éxcitons são confinados, levando ao efeito de confinamento quântico. Os níveis de energia podem ser previstos usando o modelo da partícula em uma caixa, no qual os estados de energia dependem do comprimento da caixa. Comparando o tamanho dos pontos quânticos ao raio de Bohr das funções de onda do elétron e da lacuna, três regimes podem ser definidos. Um regime de confinamento forte é definido como pontos quânticos com raio menor que o raio de Bohr do elétron e da lacuna, enquanto que o confinamento fraco é dado quando o ponto quântico é maior que ambos. Para semicondutores nos quais o raio do elétron e da lacuna são marcadamente diferentes, ocorre um regime de confinamento intermediário, onde o raio do ponto quântico é maior que o raio de Bohr de um dos portadores de carga (tipicamente, da lacuna), mas não do outro portador de carga.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Ramirez|primeiro=H. Y.|data=2010|titulo=Optical fine structures of highly quantized InGaAs/GaAs self-assembled quantum dots|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.81.245324|jornal=Physical Review B|volume=81|numero=24|doi=10.1103/PhysRevB.81.245324}}</ref>

=== Energia de ''bandgap'' ===
A largura da banda proibida se torna maior no regime de confinamento forte, uma vez que os níveis de energia se dividem acima. O raio de Bohr do éxciton pode ser expresso como:

<math>a_b^*=\varepsilon_2\left ( \frac{m}{\mu} \right )a_b</math>

Onde a<sub>b</sub> é o raio de Bohr = 0.053&nbsp;nm, m é a massa, <math>\mu</math> é a massa reduzida e <math>\varepsilon_r</math> é a constante dielétrica dependente do tamanho (permissividade relativa). Isto resulta num aumento na energia total de emissão (a soma dos níveis de energia nos bandgaps menores no regime de confinamento forte é maior que os níveis de energia  no bandgap dos níveis originais no regime de confinamento fraco) e a emissão a vários comprimentos de onda. Se a distribuição de tamanhos dos pontos quânticos não é estreita o suficiente, a convolução de múltiplos comprimentos de onda de emissão é observado como um espectro contínuo.{{carece de fontes|data=dezembro de 2019}}

=== Energia de confinamento ===
A entidade éxciton pode ser modelada usando a partícula na caixa. O elétron e a lacuna podem ser vistos como o hidrogênio no modelo de Bohr, com o núcleo do hidrogênio sendo substituídos pela lacuna de carga positiva e massa do elétron negativa. Então os níveis de energia do éxciton podem ser representados como a solução para a [[Partícula em uma caixa|partícula na caixa]] no nível fundamental (n = 1), com a massa sendo substituída pela massa reduzida. Variando o tamanho do ponto quântico, a energia de confinamento do éxciton pode ser controlada.{{carece de fontes|data=dezembro de 2019}}

=== Energia de ligação do éxciton ===
Há uma energia de atração [[eletrostática]] entre o elétron carregado negativamente e a lacuna carregada positivamente. A energia envolvida na atração é proporcional à energia de Rydberg e inversamente proporcional ao quadrado da constante dielétrica dependente do tamanho do semicondutor.<ref>{{citar livro|título=Polymer Handbook|ultimo=Brandrup|primeiro=J.|ultimo2=Immergut|primeiro2=E.H.|editora=Wiley|ano=1966|local=New York|páginas=240–246|acessodata=}}</ref> Quando o tamanho do cristal semicondutor é menor que o raio de Bohr do éxciton, a interação Coulômbica precisa ser modificada para se adaptar à situação.

Portanto, a soma destas energias pode ser representada como:

<math>E_{confinamento}=\frac{\hbar^2\pi^2}{2a^2}\left ( \frac{1}{m_e}+\frac{1}{m_h} \right )=\frac{\hbar^2\pi^2}{2\mu a^2}</math>

<math>E_{exciton}=-\frac{1}{\epsilon_2^3}\frac{\mu}{m_e}R_y=-R_y^*</math>

<math>E=E_{bandgap}+E_{confinamento}+E_{exciton}</math>

<math>E=E_{bandgap}+\frac{\hbar^2\pi^2}{2\mu a^2}-R_y^*</math>

Onde <math>\mu</math> é a massa reduzida, a é o raio, m<sub>e</sub> é a massa do elétron livre, m<sub>h</sub> é a massa da lacuna e ε<sub>r</sub> é a constante dielétrica dependente do tamanho.

Apesar das equações acima terem sido derivadas usando premissas simplificadas, elas implicam que as transições eletrônicas dos pontos quânticos dependerão do seu tamanho. Estes efeitos de confinamento quântico são aparentes somente abaixo do tamanho crítico. Partículas grandes não exibem este efeito. Este efeito de confinamento quântico em pontos quânticos tem sido verificado experimentalmente repetidas vezes e é uma característica chave de muitas estruturas eletrônicas emergentes.<ref>{{citar periódico|ultimo=Greenemeier|primeiro=L.|data=2008-02-05|titulo=New Electronics Promise Wireless at Warp Speed|url=https://www.scientificamerican.com/article/metal-insulator-electronics-wireless/|jornal=Scientific American|acessodata=}}</ref>

A interação eletrostática entre os portadores de carga confinados também pode ser estudada por meios numéricos quando resultados não restritos em aproximações assintóticas são buscados.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Ramírez|primeiro=Hanz Y.|ultimo2=Santana|primeiro2=Alejandro|data=2012|titulo=Two interacting electrons confined in a 3D parabolic cylindrically symmetric potential, in presence of axial magnetic field: A finite element approach|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0010465512001075|jornal=Computer Physics Communications|volume=183|numero=8|paginas=1654–1657|doi=10.1016/j.cpc.2012.03.002|issn=0010-4655|acessodata=}}</ref>

=== Modelos ===
Uma variedade de estruturas teóricas existem para modelar propriedades ópticas, eletrônicas e estruturais dos pontos quânticos. Estas podem ser amplamente divididas em mecânica quântica, semiclássica e clássica.{{carece de fontes|data=dezembro de 2019}}

=== Mecânica quântica ===
Modelos e simulações de pontos quânticos baseados em mecânica quântica frequentemente envolvem a interação dos elétrons com uma matriz randômica ou pseudopotencial.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Zumbühl|primeiro=D. M.|ultimo2=Miller|primeiro2=J. B.|ultimo3=Marcus|primeiro3=C. M.|ultimo4=Campman|primeiro4=K.|ultimo5=Gossard|primeiro5=A. C.|data=2002-12-18|titulo=Spin-Orbit Coupling, Antilocalization, and Parallel Magnetic Fields in Quantum Dots|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.89.276803|jornal=Physical Review Letters|volume=89|numero=27|paginas=276803|doi=10.1103/PhysRevLett.89.276803}}</ref>

=== Semiclássica ===
Modelos semiclássicos de pontos quânticos frequentemente incorporam um [[potencial químico]]. Por exemplo, o potencial químico termodinâmico de um sistema de N partículas é dado por:

<math>\mu\bigl(N\bigr)=E\bigl(N\bigr)-E\bigl(N-1\bigr)</math>

Cujos termos de energia podem ser obtidos como soluções da [[Equação de Schrödinger]]. A definição de capacitância:

<math>\frac{1}{C}\equiv\frac{\Delta V}{\Delta Q}</math>

Com a diferença de potencial:

<math>\Delta V=\frac{\Delta \mu}{e}=\frac{\mu (N+\Delta N)-\mu (N)}{e}</math>

Pode ser aplicada para um ponto quântico com a adição ou remoção de elétrons individuais, <math>\Delta N=1</math>e <math>\Delta Q=e</math>.

Então:

<math>C(N)=\frac{e^2}{\mu (N+1)-\mu (N)}=\frac{e^2}{I(N)-A(N)}</math>

É a capacitância quântica de um ponto quântico, onde I(N) foi denotado como o potencial de ionização e A(N) a afinidade eletrônica do sistema de N partículas.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Iafrate|primeiro=G. J.|ultimo2=Hess|primeiro2=K.|ultimo3=Krieger|primeiro3=J. B.|ultimo4=Macucci|primeiro4=M.|data=1995-10-15|titulo=Capacitive nature of atomic-sized structures|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.52.10737|jornal=Physical Review B|volume=52|numero=15|paginas=10737–10739|doi=10.1103/PhysRevB.52.10737}}</ref>

=== Mecânica clássica ===
Modelos clássicos das propriedades eletrostáticas dos elétrons em pontos quânticos são similares em naturez ao problema de Thomson de distribuição ótima de elétrons em uma esfera.

O tratamento eletrostático clássico dos elétrons confinados a pontos quânticos esféricos é similar ao seu tratamento no modelo de Thomson<ref>{{Citar periódico|ultimo=Thomson|primeiro=J.J.|data=1904|titulo=XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure|url=https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/14786440409463107|jornal=The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science|lingua=en|volume=7|numero=39|paginas=237–265|doi=10.1080/14786440409463107|issn=1941-5982|acessodata=}}</ref> do átomo.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Bednarek|primeiro=S.|ultimo2=Szafran|primeiro2=B.|ultimo3=Adamowski|primeiro3=J.|data=1999-05-15|titulo=Many-electron artificial atoms|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.59.13036|jornal=Physical Review B|volume=59|numero=20|paginas=13036–13042|doi=10.1103/PhysRevB.59.13036}}</ref>

O tratamento clássico para pontos quânticos bidimensionais e tridimensionais exibe comportamento de preenchimento dos níveis eletrônicos. Uma tabela periódica de átomos artificiais clássicos foi descrita para pontos quânticos bidimensionais.<ref>{{Citar periódico|ultimo=Bedanov|primeiro=Vladimir M.|ultimo2=Peeters|primeiro2=François M.|data=1994-01-15|titulo=Ordering and phase transitions of charged particles in a classical finite two-dimensional system|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.49.2667|jornal=Physical Review B|volume=49|numero=4|paginas=2667–2676|doi=10.1103/PhysRevB.49.2667}}</ref> Também, muitas conexões foram reportadas entre o problema de Thomson tridimensional e os padrões de preenchimento dos níveis eletrônicos encontrados em átomos naturais na tabela periódica.<ref name=":10">{{Citar periódico|ultimo=LaFave|primeiro=Tim|data=2013|titulo=Correspondences between the classical electrostatic Thomson problem and atomic electronic structure|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0304388613001277|jornal=Journal of Electrostatics|volume=71|numero=6|paginas=1029–1035|doi=10.1016/j.elstat.2013.10.001|issn=0304-3886|acessodata=}}</ref> Este último trabalho se originou no modelo clássico eletrostático de elétrons em um ponto quântico esférico representado por uma esfera dielétrica ideal.<ref name=":10" />

==Ver também==
* [[Semicondutor]]

{{Referências}}

== Ligações externas ==
* Michalet, X. & Pinaud, F. F. & Bentolila, L. A. & Tsay, J. M. & Doose, S. & Li, J. J. & Sundaresan, G. & Wu, A. M. & Gambhir, S. S. & Weiss, S. (2005, January 28). [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=15681376 Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics]. In Science, 307, 538 – 544.
* W. E. Buhro and V. L. Colvin, [http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=12612665 Semiconductor nanocrystals: Shape matters] , Nat. Mater., 2003, 2, 138 139.
* F. Qu et al., [http://144.206.159.178/ft/745/92384/1605819.pdf The effects of external magnetic ﬁeld on the surface charge distribution of spherical nanoparticles]{{Ligação inativa|1=|data=maio de 2019}}, Microelectronics Journal, 2003, v. 34 p.&nbsp;471–473
*{{citar periódico|autor =Reed MA |título=Quantum Dots|periódico=Scientific American |volume=268 |número=1 |páginas=118 |ano=1993|url = http://www.eng.yale.edu/reedlab/publications/58%20QDotsSciAm1993.pdf|doi=10.1038/scientificamerican0193-118 |pmid=9983408 |último2 =Hornbeck |primeiro2 =ES |último3 =Deshpande |primeiro3 =MR |último4 =Wheeler |primeiro4 =RG |último5 =Reed |primeiro5 =MA |último6 =Bowen |primeiro6 =RC |último7 =Frensley |primeiro7 =WR |último8 =Randall |primeiro8 =JN |último9 =Matyi |primeiro9 =RJ |lingua=en}}

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