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Die erstaunliche Reise der Quantenpunkte: Warum werden sie „künstliche Atome“ genannt
Quantenpunkte (QDs) sind in letzter Zeit zu einem heißen Thema in den Bereichen Nanotechnologie und Materialwissenschaft geworden. Diese nur wenige Nanometer großen Halbleiter-Nanokristalle besitzen völlig andere optische und elektronische Eigenschaften als große Partikel. Die Faszination der Quantenpunkte liegt unter anderem in den quantenmechanischen Effekten, die sie aufweisen. Daher kann man diese winzigen Teilchen auch treffend als „künstliche Atome“ bezeichnen.
Man geht davon aus, dass Quantenpunkte Eigenschaften besitzen, die zwischen denen von Blockhalbleitern und denen einzelner Atome oder Moleküle liegen.
Wenn Quantenpunkte mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden, werden Elektronen in höhere Energiezustände angeregt. In Halbleiterquantenpunkten entspricht dieser Prozess dem Elektronentransfer vom Valenzband ins Leitungsband. Wenn ein Elektron in das Valenzband zurückkehrt, gibt es Lichtenergie frei, eine Art von Lichtstrahlung, die als Photolumineszenz bezeichnet wird. Interessanterweise variiert die Farbe des emittierten Lichts je nach Energieunterschied der Quantenpunkte, und diese Eigenschaft verleiht Quantenpunkten ein wichtiges Anwendungspotenzial.
Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Quantenpunkten verändern sich mit der Veränderung von Größe und Form. Im Allgemeinen emittieren Quantenpunkte mit einem Durchmesser von 5–6 Nanometern Strahlung mit längeren Wellenlängen, beispielsweise Orange oder Rot, während Quantenpunkte von 2–3 Nanometern Licht mit kürzeren Wellenlängen in Farben wie Blau und Grün emittieren. Die konkrete Darstellung dieser Farben hängt von der chemischen Zusammensetzung der Quantenpunkte ab. Aufgrund dieser Eigenschaften bieten Quantenpunkte potenzielle Anwendungsaussichten in vielen Hightech-Bereichen, darunter Einzelelektronentransistoren, Solarzellen, LEDs, Laser, Einzelphotonenquellen, Sekundärharmonische, Quantencomputer, biologische Zellforschung, Mikroskopie und medizinische Bildgebung. und andere.
Das Potenzial für integrierte Anwendungen von Quantenpunkten macht sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in vielen wissenschaftlichen Studien.
Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von Quantenpunkten, darunter Kolloidsynthese, Selbstassemblierung und elektrische externe Stimulation. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden ist die kolloidale Synthese. Dabei wird normalerweise eine Lösung erhitzt, um die Zersetzung des Rohmaterials zu fördern und Monomere zu bilden und Nanokristalle zu erzeugen. Temperatur und Monomerkonzentration sind Schlüsselfaktoren, die das Kristallwachstum beeinflussen. Während dieses Prozesses ordnen sich aktivierte Atome neu an und kristallisieren, wodurch die Eigenschaften des endgültigen Quantenpunkts beeinflusst werden.
In praktischen Anwendungen benötigen Quantenpunkte oft eine externe Schicht, um ihre Leistung zu verbessern. Diese außen angebrachten Schichten verringern die Gefahr einer strahlungsfreien Rekombination und erhöhen dadurch die Lichtquantenausbeute. Unter den verschiedenen Quantenpunkt-Heterostrukturen enthalten Typ-I-Strukturen einen Halbleiterkern, der von einem zweiten Material umhüllt ist, während Typ-II-Strukturen eine räumliche Trennung der Ladungsträger ermöglichen und dadurch die Helligkeit verbessern.
Die typische Struktur eines Quantenpunkts ist das CdSe/ZnS-System, dessen Kern- und Schalenmaterialkombination es diesen Nanokristallen ermöglicht, Licht effizient zu emittieren.
Bei der Herstellung von Quantenpunkten erfreut sich neben der Kolloidsynthese zunehmend auch die Plasmasynthese wachsender Beliebtheit, diese Methode eignet sich besonders gut für die Produktion kovalent gebundener Quantenpunkte. Mit nichtthermischem Plasma können Wissenschaftler die Form, Größe und Zusammensetzung von Quantenpunkten steuern. Das traditionelle Produktionsverfahren ist die Hochtemperatur-Doppelspritzgusstechnik, die eine Massenproduktion ermöglicht, die Aufrechterhaltung der Stabilität und Qualität während des Produktionsprozesses stellt jedoch eine große Herausforderung dar.
Mit dem technologischen Fortschritt haben viele Unternehmen begonnen, schwermetallfreie Quantenpunktmaterialien zu untersuchen, die nicht nur den Umweltanforderungen entsprechen, sondern auch in ihrer Leistung an herkömmliche CdSe-Quantenpunkte heranreichen. Die Entwicklung der Quantenpunkttechnologie hat für viele Branchen, beispielsweise die Displaytechnologie und die biomedizinische Bildgebung, bahnbrechende Auswirkungen.
Aus gesundheitlichen und ökologischen Gründen hat die Forschung und Entwicklung schwermetallfreier Quantenpunkte höchste Priorität, einschließlich der mikrobiellen Zusammenarbeit und der Anwendung unterschiedlicher Materialien.
Kurz gesagt: Das Funkeln der Quantenpunkte als „künstliche Atome“ verspricht völlig neue Möglichkeiten für die Technologie der Zukunft. Sie verbessern nicht nur unser Verständnis des Mikrokosmos, sondern fördern auch die Innovation im Bereich neuer Technologien. Bedeutet dies, dass Quantenpunkte in naher Zukunft eine allgegenwärtige Technologie sein werden?
