Eigenschaften und Anwendungen

Nanokristalle, in denen aufgrund ihres äußerst kleinen Durchmessers (im Bereich weniger Nanometer) sogenannte Quanteneffekte auftreten, werden als Quantenpunkte bezeichnet. Diese bestehen nicht aus einem einheitlichen Material, sondern beschreiben eine ganze Klasse von Materialien. Die Quanteneffekte sorgen dafür, dass die Nanokristalle außerordentlich interessante optische, magnetische und auch elektronische Eigenschaften besitzen. So können Sie z.B. mit Hilfe von Licht leuchten (fluoreszieren), sehr effizient Strom liefern oder als superkleine Informationsspeicher oder Prozessorelemente dienen.

Mit einer Größe von etwa 1-100 nm bestehen Quantenpunkte meist aus Halbleiter-Materialien. Aufgebaut sind sie entweder aus einem oder aus verschiedenen Materialien, die einem Aufbau-Prinzip aus Kern und Schale folgen. Oft werden für Kern und Schale unterschiedliche Materialien verwendet, wobei auch mehrere Hüll-Schichten möglich sind. Sowohl die elektronischen als auch die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte können mit diesen sogenannten Kern-Schale-Strukturen punktgenau eingestellt werden, was sie für die jeweiligen Anwendungen sehr interessant macht.

Für freie metallische Quantenpunkte besteht ein theoretisches Risiko, dass sie sich wegen ihrer großen Oberfläche selbst entzünden können. Da sie aber meist nur eingebettet in Flüssigkeiten oder Kunststoffen verarbeitet und in sehr kleinen Mengen eingesetzt werden, ist eine Selbstentzündung sehr unwahrscheinlich.

 

Schematischer Aufbau eines freien Kern-Schale-QuantenpunktsSchematischer Aufbau eines freien Kern-Schale-Quantenpunkts

 

Man unterscheidet hauptsächlich zwischen drei Arten von Quantenpunkten:

  1. III-V-Halbleiter: aus Elementen der Hauptgruppe III des Periodensystems der Elemente (Bor, Aluminium, Gallium, Indium) und Hauptgruppe V (Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut)
  2. II-VI-Halbleiter: aus Elementen der Nebengruppe II (Zink, Cadmium) und der Hauptgruppe VI (Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur)
  3. Silizium (Si), das Standardmaterial der Halbleiter- und Chip-Industrie

 

Der bekannteste Vertreter der III-V-Halbleiter ist Galliumarsenid (GaAs). Im Bereich der optischen Datenverarbeitung dient es vor allem als Lichtquelle und wird zudem als Verstärkungsmedium in Lasern eingesetzt. Jedoch scheint Galliumarsenid für Spezialanwendungen reserviert zu bleiben und keine Konkurrenz zu Silizium in der Halbleiterindustrie darzustellen.

 

Prominenteste Vertreter der II-VI-Halbleiter-Quantenpunkte sind Cadmiumselenid (CdSe) und Cadmiumtellurid (CdTe). Aber auch Zinkoxid (ZnO), das in Form von Mikro- und Nanopartikeln bereits vielfältige Verwendung findet, wird zunehmend als Material in Quantenpunkten verwendet. Einsatzgebiete für die II-VI-Halbleitermaterialien umfassen dank ihrer herausragenden Fluoreszenz-Eigenschaften die Bereiche Elektronik, Photonik, Photovoltaik und Biomedizin. Cadmiumselenid-basierte Quantenpunkte sind bevorzugt in Beleuchtungsanwendungen und Displays auf Basis von Quantenpunkt-LEDs zu finden.

In Dünnschichtsolarzellen wird derzeit der Einsatz von Cadmiumtellurid-basierten Quantenpunkten erprobt, die eine deutliche Effizienzsteigerung versprechen. Da diese Quantenpunktmaterialien allerdings toxisches Cadmium enthalten, wird weiter nach Alternativen geforscht. Als Biomarker dienen II-VI-Quantenpunkte zum Nachweis von Biomolekülen in medizinischen Proben.

 

Silizium-Quantenpunkte sind derzeit längst noch nicht so weit entwickelt wie ihre Vertreter der III-V bzw. II-VI-Halbleiter. Sie versprechen jedoch großes Potenzial für eine Integration in die aktuelle Siliziumelektronik, z.B. als Bestandteil von Optikchips, Prozessoren, optischen Sensoren oder in der Photovoltaik zum Erzielen großer Effizienzsprünge. Aufgrund des aktuell hohen Preises werden derartige Silizium-Materialien vornehmlich in der Raumfahrtindustrie eingesetzt.

 

Quantenpunkte sind immer noch ein großes Thema für die Forschung und werden derzeit nur vereinzelt in verbrauchernahen Produkten eingesetzt. Viele Konzepte und Effekte müssen noch genauer untersucht werden.

 

Herstellung

Die neue Materialklasse Quantenpunkte wurde erstmals in den 1980er Jahren entdeckt und die heutigen Herstellungsmethoden, darunter nasschemische Verfahren, Lithographie oder auch Molekularstrahlepitaxie, variieren je nach Ausgangsmaterial.

Ausgangsmaterial für Silizium-Quantenpunkte ist Siliziumdioxid. In eine entsprechende Matrix aus Siliziumdioxid werden weitere Silizium-Ionen eingebracht und diese anschließend längere Zeit bei hohen Temperaturen erhitzt, bis sich die gewünschten Nanokristalle formieren.

© Leo / Fotolia.com© Leo / Fotolia.com

Lithographisch werden Quantenpunkte über einen Elektronenstrahl auf ein entsprechendes Substrat „geschrieben“ und anschließen durch ein geeignetes Ätzverfahren freigelegt. Stark vereinfacht wird auf einer Oberfläche ein spezieller Lack aufgebracht, welcher die Komponenten für die Erzeugung der gewünschten Quantenpunkte enthält. Beim Auftreffen des punktförmigen Elektronenstrahls werden dann an diesen sehr kleinen Stellen die Komponenten in Quantenpunkte umgewandelt. Im Anschluss werden dann die überschüssigen Lackreste entfernt. Nachteile dieses Verfahrens sind eine schlechte Reproduzierbarkeit und hoher Aufwand.

Die Molekularstrahlepitaxie wird zur Herstellung von Quantenpunkten aus III-V-Halbleitern, wie beispielsweise Galliumarsenid, genutzt. Hier werden die beiden Metalle Gallium und Arsen gleichzeitig verdampft und dann auf eine Oberfläche geschossen. Alternativ können sie auch mit der sogenannten Gasphasenabscheidung aus metallorganischen Verbindungen hergestellt werden. Dabei werden die Quantenpunkte direkt auf dem für die jeweilige Anwendung benötigten Substrat erstellt.

Schließlich können auch mit nasschemischen Verfahren kolloidale Quantenpunkte aus III-V-Halbleitern sowie auch aus II-VI-Halbleitern hergestellt werden, meist für die Anwendung in biologischen Medien. Die Mitte der 1990er Jahre entwickelten Quantenpunkte bestanden beispielsweise aus einem Kern aus Cadmiumselenid mit einer Schale aus Zinksulfid. Hier werden zunächst Cadmiumselenid-Nanokristalle aus einer Cadmium-Salzlösung mit Selenid-Anionen ausgefällt. Nach dem gleichen Prinzip lässt man dann im Anschluss eine Hülle aus Zinksulfid auf diesen Nanokristallen aufwachsen.

 

Literatur arrow down

  1. Wikipedia (DE): Quantenpunkt (Stand letzter Zugang: Aug 2012).
  2. Welt der Physik (DE): Quantenpunkte: Technische Anwendungen der „künstlichen Atome“ (Stand letzter Zugang: Aug 2012).
  3. Welt der Physik (DE): Dotierte Quantenpunkte für schnellere Chips (Stand letzter Zugang: Aug 2012).

 

Cookies erleichtern die Bereitstellung unserer Dienste. Mit der Nutzung unserer Dienste erklären Sie sich damit einverstanden, dass wir Cookies verwenden.
Ok