Der Reinheit helles Licht
Berkeley-Forscher entdecken, warum reine Quantenpunkte und Nanostäbchen heller leuchten.
Wissenschaftler des Berkeley Lab haben entdeckt, warum eine vielversprechende Technik zur Herstellung von Quantenpunkten und Nanostäbchen bisher enttäuschend verlief. Nicht nur das, sie haben auch die Lösung des Problems gefunden. Ein Forscherteam um die Chemiker Paul Alivisatos, Leiter des Berkeley Lab, und Prashant Jain, jetzt an der Universität von Illinois, hat herausgefunden, warum Nanokristalle, die mittels multipler Komponenten in Lösung durch Kationenaustausch hergestellt werden bisher nur schwache Lichtemitter sind. Das Problem liegt in Unreinheiten des Endprodukts. Das Team konnte diese Verunreinigungen durch einfaches Erhitzen beseitigen.
Abb.: Diese Gegenüberstellung von CdSE/CuS-Nanokristallen zeitgt die deutlichen Unterschiede vor (links) und nach dem Entfernen der Verunreinigungen (rechts) mittels Erwärmen. (Bild: LBL)
Die Forscher erhitzten die Nanokristalle auf 100 Grad Celsius, wodurch sie die Verunreinigungen entfernten und die Lumineszenz innerhalb 30 Stunden auf das Vierfache steigerten. Damit entsprachen die optoelektronischen Eigenschaften der durch Kationenaustausch produzierten Nanokristalle denen herkömmlich hergestellter Quantenpunkten und Nanostäbchen. Die winzigen Objekte sind lichtemittierende Halbleiter-Nanokristalle mit breitgefächerten Anwendungen, einschließlich Bio-Imaging, Solarenergie und Display-Technologien. Typischerweise werden diese Nanokristalle mittels Kolloiden hergestellt. Alternativ entwickelten die Forscher eine neue Lösungs-basierte Synthesetechnik, in der die Nanokristalle durch das Austauschen oder Ersetzen aller Kationen im Kristallgitter mit einem anderen Kation chemisch verändert werden. Diese Kationenaustausch-Technik ermöglicht es, neue Arten von Nanokristallen herzustellen, die herkömmlichen Techniken bislang verschlossen blieben. Solche Kern-Hülle-Nanokristalle sind Heterostrukturen, in denen ein Typ Halbleiter in einem anderen eingeschlossen ist, wie zum Beispiel ein Cadmiumselenid-Kern in einer Cadmiumsulfid-Hülle.
Jain entdeckte dieses Verhalten zufällig, als er sechs Monate alte CdSe/CuS-Nanokristalle vor dem Entsorgen unter UV-Licht hielt, und signifikante Lumineszenz beobachtete. Anschließende Spektraluntersuchungen und der Vergleich dieser Daten mit älteren zeigte, dass die Lumineszenz der Nanokristalle um das mindestens Siebenfache angestiegen war. Die gleiche Verbesserung erzielte er durch das Erwärmen neuer Proben, um den Prozess, der die Lumineszenz verursachte, zu beschleunigen.
Jain und sein Team konnten durch darauffolgende Untersuchungen auch belegen, dass die Verunreinigungen – Originalkationen, die im Kristallgitter während der Austauschprozesses zurückbleiben – die zunächst schwache Lichtausbeute verschuldeten. „Selbst wenige Kationenverunreinigungen in einem Nanokristall reichen aus, um nützliche, energiereiche Ladungsträger abzufangen,“ sagt Jain. „In den meisten Quantenpunkten und Nanostäbchen sind die Ladungsträger über den gesamten Nanokristall hinweg delokalisiert, was es ihnen leicht macht, die Verunreinigungen aufzuspüren, ganz gleich wie gering sie auch waren. Durch das Erhitzen der Lösung entfernen wir die Verunreinigungen und stellen das Abfangen ab. Somit verschaffen wir den Ladungsträgern genug Zeit, um radiativ zu kombinieren und die Lumineszenz erhöhen.“
Da die entsprechenden Ladungsträger für den elektronischen Transport, die Photovoltaikleistung und Photokatalytikprozesse entscheidend sind, lassen sich die bislang schlechteren optoelektronischen Eigenschaften der durch die Kationen-Austausch-Technik hergestelleten Nanokristalle deutlich verbessern.
LBL / CT, OD
