Leuchtendes Tartufo aus Nanokristallen

In halbleitenden Kristallen mit Mantel-Kern-Struktur lassen sich Elektronen und Löcher räumlich voneinander trennen. Das ist die Grundlage für einen effizienten, optischen Pumpprozess.

Los Alamos (USA) – Die Wellenlänge eines Lasers hängt immer von dem angeregten Material ab. Doch mit Nanokristallen aus Verbindungshalbleitern lässt sich die Farbe des Laserlichts im Prinzip verändern, da diese von der Größe der Nanopartikel abhängt. Doch der technische Einsatz dieser Materialien scheiterte bisher an der schwierigen optischen Verstärkung. Amerikanische Physiker griffen nun zu einem Trick, um den Nanokristallen leichter Licht zu entlocken. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Nature“.

„Wie haben Kern-Mantel-Nanokristalle entwickelt, mit denen sich Elektronen und Löcher räumlich voneinander trennen lassen“, schreiben Victor I. Klimov und seine Kollegen vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Dazu verwendeten die Wissenschaftler die Verbindungshalbleiter Cadmiumsulfid (CdS) und Zinkselenid (ZnSe). Aus einer flüssigen Lösung kristallisiert haben die CdS-Kerne einen Radius von 1,6 oder 2,6 Nanometer. Die kleineren Nanokristalle können dabei kurzwelligeres Licht emittieren als die etwas größeren. Den Mantel um diese Kerne bildet eine etwa einen Nanometer dicke Schicht aus Zinkselenid.

Dieses Kern-Mantel-Material regten die Forscher optisch mit kurzen Laserpulsen an (200 fs, 3 eV). Wie schon aus früheren Experimenten bekannt, bildeten sich dabei Elektron-Loch-Paare. Ohne einen Zinkselenid-Mantel vereinigen sich Elektron und Loch sehr schnell wieder über nichtstrahlende Auger-Prozesse. Doch mit der nanokristallinen Hülle können Elektron und Loch räumlich voneinander getrennt werden. Die Löcher sammeln sich dabei in der ZnSe-Hülle, die Elektronen im CdS-Kern. So verlängert sich die Lebenszeit dieser Anregung, und Elektron und Loch können sich unter Aussendung eines Photons wieder vereinigen. In ersten Versuchen beobachteten Klimov und Kollegen eine Photolumineszenz im nahen Infrarot-Bereich (770 Nanometer Wellenlänge).

„In diesem Fall kann eine optische Verstärkung für Nanokristalle mit durchschnittlich weniger als einem Exziton (Elektron-Loch-Paar) erzielt werden“, erläutert Todd D. Krauss von der University of Rochester in einem begleitenden Kommentar. So bildet die Kern-Mantel-Struktur die Grundlage für einen effizienten, optischen Pumpprozess. Vorstellbar ist auch eine Erzeugung der Elektron-Loch-Paare nicht über eine optische, sondern über eine elektrische Anregung. Aufbauend auf den ummantelten Nanokristallen locken damit intensive Laser, die über die Größe der Partikel an die jeweils gewünschte Wellenlänge angepasst werden könnten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Victor I. Klimov et al., Single-exciton optical gain in semiconductor nanocrystals, Nature 447, 441 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05839
• Kommentar:
  Todd D. Krauss, Less excitement for more gain, Nature 447, 385 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1038/447385a
• Los Alamos National Laboratory:
  http://www.lanl.gov
• Qanten-Dot-Lasing, LANL:
  http://quantumdot.lanl.gov