Halbleiter-Nanokristalle

Harte Schale, leuchtender Kern

Halbleiter-Nanokristalle leuchten heller als ein Laserfarbstoff - wenn man sie vor Sauerstoff schützt

Winzige Halbleiterkriställchen können dazu bewogen werden, Licht abzugeben - in Wellenlängenbereichen, die konventionellen Farbstoffen nur bedingt offen stehen und heller, als man es von diesen gewohnt ist. Dies zeigten, wie in der jüngsten Ausgabe der von der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) herausgegebenen Zeitschrift "Angewandte Chemie" berichtet wird, der israelische Chemiker Uri Banin und sein Mitarbeiter Yun-Wie Cao am Beispiel einiger so genannter Kern-Schalen-Nanokristalle aus dem Halbleiter Indiumarsenid.

Dass winzige Kriställchen aus halbleitenden Materialien nach entsprechender Anregung farbig leuchten, ist schon länger bekannt. Grundlage des Effekts ist im Prinzip derselbe Mechanismus, der auch bei einigen anderen
organischen Farbstoffen auftritt. In diesen Molekülen kann man Elektronen durch Energiezufuhr in höhere Energiezustände, früher "Bahnen" genannt, anregen; nach einiger Zeit fallen sie jedoch auf ihr Ausgangsniveau zurück und geben die Energiedifferenz zwischen hoher und
niedriger Bahn in Form von farbigem Licht ab.

Anstelle streng abgegrenzter Molekülbereiche in den organischen Farbstoffen dienen den Elektronen im Indiumarsenid jedoch alle enthaltenen Atome als
"Stadion", da in Halbleitern die Elektronenbahnen aller in den Kriställchen enthaltenen Atome überlappen - je größer also die Indiumarsenid-Kügelchen, desto ausgedehnter sind auch die Bahnen, die den Elektronen darin zur Verfügung stehen. Da die Differenz der Bahnenergien die Wellenlänge des abgegebenen Lichts bestimmt, hängt die Farbe, mit der diese Atomansammlungen leuchten, direkt von der Größe dieser Nanokriställchen ab. Damit sind die Halbleiterforscher für den farbigen Effekt nicht mehr auf
das komplizierte Design von Farbstoffmolekülen angewiesen: Sie müssen "nur" dafür sorgen, dass in ihren Reagenzgläsern nanometergroße Indiumarsenid-Kügelchen passender Größe entstehen.

Ein Problem war bislang jedoch, dass die an der Oberfläche dieser Partikel liegenden Atome leicht durch aggressive Gase wie etwa dem Sauerstoff aus der Luft angegriffen werden. Das verringerte die Helligkeit der Nanokristalle, da in derartig kleinen Partikeln ein großer Teil der Atome
an der Oberfläche liegt. Banin und Cao gelang es aber, ihre
Halbleiter-Kriställchen zu schützen, indem sie sie mit einer dünnen Schicht aus wenigen Atomlagen des stabileren Halbleiters Cadmiumselenid umgaben. Dieser dichte Mantel verhindert die Zersetzung des Indiumarsenid-Kerns. Dadurch leuchten die derart eingepackten Kriställchen sogar heller als ein bekannter Laserfarbstoff.

Kontakt:
Dr. U. Banin, Dr. Y.-W. Cao
Department of Physical Chemistry and
The Farkas Center for Light-Induced Processes
The Hebrew University of Jerusalem
Jerusalem 91904
Israel

Fax: (+972) 2-561-8033

E-mail: Banin@chem.ch.huji.ac.il

Quelle: Angewandte Chemie 1999, 111 (24), 3913 - 3916

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