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Die Brillanz von Quantenpunkten: Warum ändert sich ihre Farbe mit der Größe?
Quantenpunkte (QDs) sind wenige Nanometer große Halbleiter-Nanokristalle, deren optische und elektronische Eigenschaften sich aufgrund quantenmechanischer Effekte von denen größerer Partikel unterscheiden. Diese winzigen Halbleiterpartikel sind derzeit ein wichtiges Thema in der Nanotechnologie und den Materialwissenschaften. Wenn ein Quantenpunkt mit ultraviolettem Licht beleuchtet wird, können die Elektronen im Quantenpunkt in einen höheren Energiezustand angeregt werden. Dieser Vorgang entspricht dem Übergang der Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband bei Halbleiterquantenpunkten. Angeregte Elektronen können wieder in das Valenzband zurückgetrieben werden, wobei sie ihre Energie freisetzen und Licht aussenden. Dies wird als Photolumineszenz bezeichnet.
Die Farbe des Lichts hängt von den Unterschieden der diskreten Energieniveaus zwischen den Leitungs- und Valenzbändern der Quantenpunkte ab.
Der Farbwechsel eines Quantenpunkts hängt eng mit seiner Größe zusammen. Typischerweise emittieren Quantenpunkte mit einem Durchmesser von 5 bis 6 Nanometern Licht mit längerer Wellenlänge, das meist orange oder rot ist. Quantenpunkte mit einem Durchmesser von zwei bis drei Nanometern emittieren Licht mit kürzeren Wellenlängen, etwa Blau und Grün. Allerdings hängt die Veränderung bestimmter Farben auch von der genauen Zusammensetzung der Quantenpunkte ab.
Die Eigenschaften von Quantenpunkten liegen zwischen denen großer Halbleiter und unabhängiger Atome, und ihre optoelektronischen Eigenschaften ändern sich mit Änderungen der Größe und Form.
Mit dem Fortschritt der Technologie haben Quantenpunkte ihr Potenzial in vielen Anwendungen unter Beweis gestellt, darunter Einzelelektronentransistoren, Solarzellen, Leuchtdioden (LEDs), Laser, Einzelphotonenquellen, Sekundärharmonische, Quantencomputer und zellbiologische Forschung. , Mikroskopie und medizinische Bildgebung. Darüber hinaus können einige der Quantenpunkte aufgrund ihrer geringen Größe sogar in Lösungen suspendiert werden, was potenzielle Anwendungen im Tintenstrahldruck und der Rotationsbeschichtung eröffnet. Dennoch ist die Technologie der Kern-Schale-Struktur auch im Hinblick auf die Verbesserung der Lumineszenzeffizienz von Quantenpunkten von Bedeutung. Quantenpunkte werden häufig mit organischen Liganden mit langen Kohlenwasserstoffketten beschichtet, um das Wachstum zu kontrollieren, eine Aggregation zu vermeiden und die Dispersion in der Lösung zu fördern. Diese organischen Beschichtungen können jedoch zu einem Phänomen der „nichtstrahlenden Rekombination“ der Photonenemission führen, wodurch die Lichtquantenausbeute verringert wird.
Quantenpunkte mit Kern-/Muschelstrukturen können die Emissionswellenlänge der Photolumineszenz verbessern, indem die Dicke jeder Schicht sowie die Gesamtgröße der Quantenpunkte angepasst werden.
Derzeit gibt es verschiedene Methoden zur Herstellung von Quantenpunkten, darunter kolloidale Synthese, Selbstassemblierung und elektrische Steuerung. Unter ihnen ist die kolloidale Synthese eine Methode zur Synthese von Halbleiter-Nanokristallen aus einer Lösung, bei der zunächst eine helle Lösung erhitzt wird, um die Depolymerisation des Vorläufers und die Bildung von Nanokristallen anzuregen. Der Wachstumsprozess von Nanokristallen hängt eng mit der Konzentration, Temperatur und Zeit des Vorläufers zusammen.
Die Herstellung von Quantenpunkten ist allerdings nicht auf die kolloidale Synthese beschränkt, sondern kann auch durch Gasphasenmethoden wie die Plasmasynthese erzeugt werden. Dieser Prozess ermöglicht uns nicht nur, Größe, Form und Zusammensetzung von Quantenpunkten präzise zu steuern, sondern führt auch Dotierelemente in den Prozess ein, um die Leistung zu verbessern. Dadurch werden die Abstimmbarkeit und Funktionalität von Quantenpunkten verbessert und die zukünftigen Anwendungsaussichten in der Unterhaltungselektronik und in optoelektronischen Geräten sind gut.
Wie kann angesichts der Weiterentwicklung der Quantenpunkt-Herstellungstechnologie, die in Zukunft voraussichtlich eine größere Verbreitung in Konsumgütern finden wird, die Sicherheit dieser Materialien im Hinblick auf Umwelt und Gesundheit gewährleistet werden?
In der heutigen Gesellschaft, in der der Umweltschutz im Vordergrund steht, haben viele Regionen Beschränkungen für Substanzen mit Schwermetallen eingeführt, was auch Auswirkungen auf viele traditionelle Quantenpunktanwendungen hatte. Daher arbeiten viele Unternehmen und Forschungseinrichtungen an der Entwicklung schwermetallfreier Quantenpunktmaterialien, die nicht nur über helle Leuchteigenschaften verfügen, sondern auch die potenziellen Gesundheits- und Umweltschäden herkömmlicher Schwermetalle vermeiden.
Kurz gesagt: Quantenpunkte werden aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften zunehmend zu einem wichtigen Thema in der Technologie-Community und weisen sowohl in den Bereichen blaue LEDs als auch in der medizinischen Bildgebung oder im Quantencomputing ein großes Anwendungspotenzial auf. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der induktiven Quantenpunkttechnologie können wir uns in Zukunft auf breitere Anwendungen freuen, müssen uns aber gleichzeitig mit den Sicherheitsproblemen dieser Materialien auseinandersetzen. Sind wir bereit, diese Herausforderung anzunehmen?
