Forschung -

Klare Farben ohne giftige Stoffe

Kadmiumselenid-Nanopartikel weisen gute spektrale Eigenschaften auf und kommen daher bevorzugt für die Fotolumineszenz beispielsweise in LCD-Bildschirmen zum Einsatz. Kadmium ist allerdings toxisch und soll in vielen Ländern für Konsumprodukte sowie in der Medizin verboten werden. Forscher suchen daher nach Alternativen.

Das quantenmechanische Confinement, also die Höhe des Potentialtopfs der Quantenpunkte, bestimmt die optischen Eigenschaften von Halbleitern. Es bewirkt eine Energieverschiebung in den optischen Übergängen. Dieses Phänomen wird genutzt, um monochromatische Fotolumineszenz zu erzeugen. Die Synthetisierung solcher monodispersen, stabilen und stark emittierenden Materialien ist seit Langem Gegenstand der Nanoforschung. Kadmiumselenid (CdSe) und seine Legierungen mit anderen II-VI-Halbleitern sind besonders beliebt, da sie eine schmale Bandkantenemission aufweisen. Sie haben bereits in kommerziellen Anwendungen Einzug gehalten, etwa in LCD-Bildschirmen zur Verbesserung der Farbzusammensetzung, in der Beleuchtung oder als Marker im Bioimaging.

Mit der schnellen Verbreitung der Technologie, sind auch die Bedenken bezüglich der Giftigkeit von Kadmium gestiegen. In vielen Ländern steht das Verbot von CdSe an. Daher bemühen sich Forscher, ungefährliche Alternativen zu finden. Bislang sind Teilerfolge mit III-V-Halbleitern, wie InP, InAs und GaAs, sowie mit I-III-VI-Halbleitern, wie CuInS2, AgInS2 und deren Selenidderivaten, zu verzeichnen: Die Quantenausbeute konnte auf 50 % angehoben werden. Allerdings verbreitern Defekte in der Partikeloberfläche und im Kristall das Emissionsband – die erzeugten Farben leuchten schwächer und sind weniger klar.

In einer Studie der Osaka University entwickeln Forscher eine Methode, um ausgehend von Silberindiumdisulfid (AgInS2) ein schmales Spektralband im sichtbaren Bereich zu erhalten. Mithilfe einer konventionellen Erhitzungstechnik überziehen sie die Partikelkerne mit den III-VI-Halbleitern InSx und GaSx (x = 0,8 bis 1,5). Erstautor der Studie, Taro Uematsu, sagt: „Galliumsulfid ist amorph, was ungewöhnlich für ein Schalenmaterial ist. Wir sind der Meinung, dass die weniger starre Natur des Materials von Vorteil gewesen ist, um die gewünschten Anpassungen vorzunehmen.“

Die Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum, FWHM) verringert sich dadurch von 220 nm (399 meV) auf 28,6 nm (103 meV). Einzelpartikelanalysen zeigen, dass die FWHM auf Partikelebene bei 24 nm (80 meV) liegt. Dieser Wert ist vergleichbar mit dem Industriestandard von II-VI-Halbleitern wie CdSe und halb so groß wie der von InP. Modifikationen der Synthetisierung und Nachbehandlungen des Materials verhelfen dem Kern-Schalen-Material zu einer Quantenausbeute von 56 %.

T. Uematsu et al.: Narrow Band-Edge Photoluminescence from AgInS2 Semiconductor Nanoparticles by the Formation of Amorphous III-VI Semiconductor Shells; Nature: NPG Asia Materials 10 (713-726), 2018

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