Materialforscher lassen quasi-zweidimensionale Nanoplättchen wachsen

8. April 2017, 07:00
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Schweizer Wissenschafter klären anhand eines Modells den Mechanismus, der zur Bildung der winzigen Kristalle führt

Zürich – Seit den 1980er Jahren erforschen Physiker sogenannte farbig leuchtende Quantenpunkte. Werden diese kugelförmigen Nanokristalle aus Halbleitermaterial mit Licht angeregt, leuchten sie grün oder rot – je nach ihrer Größe, die zwischen zwei und acht Nanometern liegt. Mittlerweile sind Quantenpunkte auch in unserem elektronischen Alltag angekommen: Eingesetzt wird diese Technologie vor allem in LCD-Fernsehern, um die Farbwiedergabe und damit die Bildqualität stark zu verbessern.

Vor wenigen Jahren tauchte mehr oder weniger zufällig eine neue Art von Nanokristallen auf dem Radar der Forscher auf: Nanoplättchen. Diese quasi zweidimensionalen Strukturen sind wie Quantenpunkte nur wenige Nanometer groß, aber von einheitlicher flächiger rechteckiger Form. Sie sind extrem dünn, oft nur wenige Atom-Schichten dick. Diesem Umstand verdanken die Plättchen eine ihrer auffälligsten Eigenschaften: ihr Leuchten ist extrem rein.

Bis jetzt war jedoch rätselhaft, wie die Plättchen entstehen und welche Gesetzmäßigkeiten dahinter stehen. Ein Team um David Norris von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH Zürich) hat das Geheimnis nun gelüftet: "Wir wissen nun, dass es keine magische Formel gibt, um Nanoplättchen zu erzeugen – nur Wissenschaft", betont der Professor für Materialtechnik. In einer soeben in der Fachzeitschrift "Nature Materials" erschienenen Studie zeigen die Forscher anhand von Cadmiumselenid-Nanoplättchen auf, wie diese ihre spezielle flache Form erreichen.

Keine Schablonen notwendig

Bislang ging die Forschung davon aus, dass es für dieses passgenaue Wachstum eine Art Formvorlage braucht, die durch Mischung spezieller Ausgangsverbindungen und Lösungsmitteln entsteht. Norris und Kollegen konnten jedoch in Experimenten keinen Einfluss solcher Formvorlagen nachweisen – im Gegenteil: Die Plättchen können in einfachen Schmelzen der Ausgangsstoffe Cadmium-Carboxylat und Selen gänzlich ohne Lösungsmittel wachsen.

Aus dieser Erkenntnis entwickelten die Forscher ein theoretisches Modell, mit dem sie das Wachstum der Plättchen simulierten. Dank dieses Modelles zeigen die Wissenschafter auf, dass sich zuerst spontan ein Kristallisationskern aus wenigen Cadmium- und Selen-Atomen bildet. Dieser Kristallisationskern kann sich wieder auflösen und anders formieren. Hat er jedoch eine kritische Größe überstiegen, wächst er schließlich zum Plättchen aus.

Das Modell ließ sich letztlich auch im Experiment bestätigen, indem die Forscher im Labor Nanoplättchen aus Katzengold (Pyrit, FeS2) herstellten. Diese Plättchen ließen sich exakt anhand der Modellvorhersage mit den Ausgangsstoffen Eisen- und Schwefel-Ionen erzeugen.

Weitere Entwicklung offen

Über das Potenzial der Nano-Plättchen kann 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. (red, 8.4.2017)

  • Künstlerische Darstellung der nur wenige Atomschichten dicken Nanoplättchen. Schweizer Wissenschafter haben nun ein Modell entwickelt, wie diese winzigen Strukturen wachsen.
    foto: lauren aleza kaye / eth zürich

    Künstlerische Darstellung der nur wenige Atomschichten dicken Nanoplättchen. Schweizer Wissenschafter haben nun ein Modell entwickelt, wie diese winzigen Strukturen wachsen.

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