Eigenschaften und Anwendungen

Nanokristalle, in denen aufgrund ihrer äußerst kleinen Durchmesser (im Bereich weniger Nanometer) sogenannte Quanteneffekte auftreten, werden als Quantenpunkte (engl. Quantum Dots, QD) bezeichnet. Quantenpunkte sind also kein einheitliches Material, sondern eine Klasse von Materialien, die so bezeichnet werden, wenn sie Quanteneffekte aufweisen. Diese 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, sehr effizient Strom liefern oder als superkleine Informationsspeicher oder Prozessorelemente dienen.

Quantenpunkte sind Gebilde im nanoskaligen Bereich mit einer Größe von etwa 1-1000 nm. Sie bestehen meist aus Halbleiter-Materialien. Die elektronischen als auch optischen Eigenschaften der Quantenpunkte können jedoch punktgenau eingestellt werden, was sie für die jeweiligen Anwendungen sehr interessant macht. Aggregate von Quantenpunkten werden auch als Quantenpunktmoleküle bezeichnet.

 

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

 

© Leo / Fotolia.com© Leo / Fotolia.comZwar stehen Si-Quantenpunkte in ihrer Entwicklung gegenüber Quantenpunkten aus III-V bzw. II-VI-Halbleitern zurück, jedoch besteht hier großes Potenzial in der möglichen Integration in die aktuelle Siliziumelektronik. Hier könnten sie als Bestandteil von Optikchips, Prozessoren, optischen Sensoren etc. dienen. Durch den Einsatz von Si-Quantenpunkten in der Photovoltaik ließen sich beispielsweise große Effizienzsprünge realisieren. Derzeit finden derartige Si-Materialien aufgrund des hohen Preises aber vornehmlich Verwendung in der Raumfahrtindustrie.

Bei den III-V-Halbleitern sticht vor allem Galliumarsenid (GaAs) hervor. GaAs bietet sich im Bereich der optischen Datenverarbeitung vor allem als Lichtquelle an. Zudem findet es Einsatz als Verstärkungsmedium in Lasern. Jedoch scheint GaAs 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 für die Verwendung als Quantenpunkt in Betracht gezogen. Die ersten, Mitte der 1990er Jahre entwickelten Quantenpunkte bestanden beispielsweise aus einem Kern aus Cadmiumselenid (CdSe) mit einer Schale aus Zinksulfid (ZnS). Noch heute ist dieses Material eines der am häufigsten eingesetzten und erforschten für Quantenpunkte. Auch die II-VI-Halbleitermaterialien finden Verwendung in der Elektronik, Photonik, Photovoltaik und Biomedizin. Vor allem die herausragenden Fluoreszenzeigenschaften von Quantenpunkten aus II-VI-Halbleitern machen sie für Beleuchtungsanwendungen sowie für Displays auf der Basis von Quantenpunkt-LEDs interessant. Hier wird vornehmlich CdSe eingesetzt. Cadmiumtellurid wird derzeit für den Einsatz in Dünnschichtsolarzellen getestet. Mit Hilfe solcher Quantenpunkte erhofft man sich eine deutliche Effizienzsteigerung.

Zudem finden II-VI-Quantenpunkte immer wieder Einsatz als Biomarker, sie dienen also zum Nachweis von Biomolekülen in einer medizinischen Probe.

 

Obwohl sich einige wenige Produkte auf Basis von Quantenpunkten auf dem Markt befinden, sind sie immer noch Gegenstand aktueller Forschung mit großem Potential. Viele Konzepte und Effekte müssen noch genau untersucht werden. Der "Otto-Normalverbraucher" ist zudem bei den am Markt befindlichen Produkten den Quantenpunkten nicht direkt ausgesetzt, es kommt somit nicht zum direkten Kontakt mit ihnen.

 

Unklar ist, ob Quantenpunkte (meist Cadmiumsulfid) sich selbst entzünden können. Da sie aber meist nur eingebettet in Flüssigkeiten oder Kunststoffen verarbeitet und eingesetzt werden, ist eine Selbstentzündung sehr unwahrscheinlich.

 

Herstellung

Silizium-Quantenpunkte werden auf Basis von Siliziumdioxid hergestellt. In eine entsprechende Matrix aus Siliziumdioxid werden weitere Siliziumionen eingebracht und diese anschließend längere Zeit im Ofen erhitzt, bis sich die gewünschten Nanokristalle formieren.

Lithographisch können Quantenpunkte durch einen Elektronenstrahl auf ein entsprechendes Substrat „geschrieben“ und anschließen durch ein geeignetes Ätzverfahren freigelegt werden. Aufgrund der schlechten Reproduzierbarkeit und des hohen Aufwandes des Verfahrens greift man vermehrt auf die Molekularstrahlepitaxie zu.

Quantenpunkte aus III-V-Halbleitern, wie beispielsweise GaAs, werden z.B. mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie hergestellt, also dem gleichzeitigen Verdampfen der beiden Metalle Gallium und Arsen, die dann auf eine Oberfläche geschossen werden. Alternativ können sie auch aus metallorganischen Verbindungen mit der sogenannten Gasphasenabscheidung hergestellt werden. Hierdurch werden die Quantenpunkte direkt auf dem für die jeweilige Anwendung benötigten Substrat erstellt. Schließlich können auch mit nasschemischen Verfahren ebenfalls kolloidale Quantenpunkte hergestellt werden, meist für die Anwendung in biologischen Medien.

Quantenpunkte aus II-VI-Halbleitern werden ebenfalls in nasschemischen Verfahren hergestellt.

 

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).

 

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