Nanoplättchen statt Quantenpunkte - Photonik

Nanoplättchen statt Quantenpunkte

Anhand eines Modells konnte geklärt werden, wie sich leuchtende Nanoplättchen bilden, die im Vergleich zu Quantenpunkten einige Vorteile bezüglich der Leuchtkraft aufweisen.

Bild: Lauren Aleza Kaye / ETH Zürich
Künstlerische Darstellung der nur wenige Atomschichten dicken Nanoplättchen, die in verschiedenen Farben... mehr...

Quantenpunkte sind kugelförmige Nanokristalle aus Halbleitermaterial, die sich sehr kontrolliert erzeugen lassen. Werden diese Kristalle mit Licht angeregt, leuchten sie grün oder rot – je nach ihrer Größe, die zwischen zwei und acht Nanometern liegt.

Nanoplättchen sind zweidimensionale Strukturen und wie Quantenpunkte nur wenige Nanometer groß, aber von einheitlicher flächiger rechteckiger Form. Sie sind extrem dünn, oft nur wenige Atom-Schichten dick, wodurch ihr Leuchten extrem rein ist. Bis jetzt war rätselhaft, wie die Plättchen entstehen und welche Gesetzmäßigkeiten dahinter stehen. Anhand von Cadmiumselenid-Nanoplättchen zeigen Wissenschaftler der ETH Zürich auf, wie diese ihre spezielle flache Form erreichen. Die Plättchen können in einfachen Schmelzen der Ausgangsstoffe Cadmium-Carboxylat und Selen gänzlich ohne Lösungsmittel wachsen.

Theoretisches Wachstumsmodell erstellt

Aus dieser Erkenntnis entwickelten die Forscher ein theoretisches Modell, mit dem sie das Wachstum der Plättchen simulierten. Zuerst bildet sich ein Kristallisationskern aus wenigen Cadmium- und Selen-Atomen. Dieser kann sich wieder auflösen und anders formieren. Hat er jedoch eine kritische Größe überstiegen, wächst er schließlich zum Plättchen aus. Aus energetischen Gründen wächst der flache Kristall nur an seiner Schmalseite, und zwar um bis zum Tausendfachen schneller als auf seiner Fläche. Auf dieser Seite ist das Wachstum wesentlich langsamer weil dort mehr mangelhaft gebundene Atome an der Oberfläche vorhanden sind. Um diese zu stabilisieren wird Energie benötigt. Cadmium-Selenid gilt zwar als das bestbekannte Halbleitermaterial, mit dem solche Nanokristalle bisher erforscht wurden. Allerdings ist es hochgiftig und daher für den Alltagseinsatz nicht brauchbar. Ein Ziel der Forscher ist es deshalb, Nanoplättchen aus weniger giftigen oder ungiftigen Substanzen zu erzeugen.

Daher nutzten die Forscher Pyrit (FeS2), um ihr Modell auch experimentell zu bestätigen. Die Pyrit-Nanoplättchen ließen sich exakt anhand der Modellvorhersage mit den Ausgangsstoffen Eisen- und Schwefel-Ionen erzeugen.

Vor- und Nachteile der Nano-Plättchen

Über das Potenzial der Nanoplättchen kann ETH-Professor David Norris derzeit nur spekulieren. Sie seien eine interessante Alternative zu Quantenpunkten, da sie gegenüber diesen mehrere Vorteile böten, sagt er. So können sie Farben wie Grün besser und leuchtender erzeugen. Auch übertragen sie effizienter Energie, was sie für den Einsatz in Solarzellen prädestinieren würde. Und auch für Laser wären solche Plättchen geeignet.

Sie haben aber auch Nachteile: Bei Quantenpunkten lässt sich beispielsweise die Farbe stufenlos einstellen, indem Kristalle verschiedener Größe erzeugt werden. Nicht so bei Plättchen. Deren Farbe ist aufgrund der Schichtung der Atomlagen nur stufenweise verschiebbar. Diese Einschränkung lässt sich aber mit bestimmten „Tricks“ mildern: Die Wellenlänge des von den Plättchen abgegebenen Lichts lässt sich durch Verkapselung in ein anderes Halbleitermaterial feiner einstellen.

Wohin die Technologie sich entwickelt, ist unklar. Die vorliegende Studie ist jedoch eine wichtige Basis, um eine breite Palette von Nanoplättchen-Materialien untersuchen zu können. Dies könnte Halbleiter-Nanokristallen in Zukunft einen wesentlichen Vorteil verschaffen, sagt Norris.

Originalveröffentlichung:

[A. Riedinger, F. D. Ott, A. Mule, S. Mazzotti, P. N. Knüsel, S. J. P. Kress, F. Prins, S. C. Erwin, D. J. Norris, An intrinsic growth instability in isotropic materials leads to quasi-two-dimensional nanoplatelets, Nat. Mater. (2017), DOI: 10.1038/nmat4889]

www.ethz.ch

 
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