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Über halbleitende Nanopartikel



Nanopartikel aus halbleitenden Materialien haben alle drei Dimensionen im Bereich von 1–20 nm und besitzen neuartige elektronische, magnetische, katalytische und optische Eigenschaften. Dies liegt an ihrem großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis und ihrer reduzierten Größe. Wenn sich der Durchmesser des Teilchens dem Bohrschen Durchmesser des Exzitons nähert, werden die Ladungsträger in drei Dimensionen mit null Freiheitsgraden eingeschlossen. Aufgrund der geometrischen Beschränkungen spürt das Elektron die Teilchengrenzen und reagiert auf die Teilchengröße, indem es seine Energie anpasst. Dieses als Quantengrößeneffekt bekannte Phänomen bewirkt, dass sich das kontinuierliche Band des Festkörpers in diskrete, quantisierte Ebenen aufspaltet und die „Bandlücke“ zunimmt.
Herstellungsmethoden
Traditionelle Methoden wie chemische Gasphasenabscheidung und Molekularstrahl-Epitaxie-Methoden wurden verwendet, haben jedoch Grenzen, da sie Partikel erzeugen, die an einem Substrat befestigt oder in eine Matrix eingebettet sind, wodurch ihr Anwendungspotenzial eingeschränkt wird.
Kolloidaler Zugang
Der kolloidale Zugang zu Nanopartikeln wird durch die Durchführung einer Fällungsreaktion in einer homogenen Lösung in Gegenwart von Stabilisatoren erreicht, deren Aufgabe es ist, Agglomeration und weiteres Wachstum zu verhindern. Die kolloidale Wachstumsstabilität der Kristalle kann durch die Verwendung von Lösungsmitteln mit niedriger Dielektrizitätskonstante oder durch die Verwendung von Stabilisatoren wie Styrol/Maleinsäure-Copolymer verbessert werden.
Ostwald-Reifung
Bei einem als Ostwald-Reifung bekannten Prozess lösen sich kleine Kristalle, die weniger stabil sind, auf und rekristallisieren dann zu größeren und stabileren Kristallen. Damit diese Methode effektiv ist, müssen die Nanopartikel eine geringe Löslichkeit aufweisen, die durch eine sorgfältige Wahl des Lösungsmittels, des pH-Werts und des Passivierungsmittels erreicht werden kann.
Pyrolyse
Die mit der Niedertemperaturkolloidroute verbundenen Probleme könnten durch Injektion von Vorläufern, die bei hoher Temperatur pyrolysiert werden, in ein koordinierendes Lösungsmittel mit hohem Siedepunkt überwunden werden. Diese Route verwendet ein flüchtiges Metallalkyl (Dimethylcadmium) und eine Chalkogenquelle Tri-n-octylphosphinselenid (TOPSe), dispergiert in Tri-n-octylphosphin (TOP) und injiziert in heißes TOPO (Tri-n-octylphosphinoxid). Die mit diesem Verfahren hergestellten Partikel sind monodispers und kristallin.
Chemische Routen
Ein alternativer chemischer Weg zu Nanopartikeln über Einzelmolekül-Vorstufen, in denen die Metall-Chalkogenid-Bindung verfügbar ist, hat sich als sehr effizienter Weg zu hochwertigen Nanopartikeln erwiesen. Die Zersetzung des Vorläufers treibt die Bildung der Nanopartikel an, wobei das Wachstum beendet wird, wenn der Vorrat an Vorläufer erschöpft ist. Nach der anfänglichen Injektion erfolgt eine schnelle Keimbildung, gefolgt von einem kontrollierten Wachstum der Keime. Wenn die Nanopartikel eine gewünschte Größe erreichen, wird das weitere Wachstum durch schnelles Abkühlen der Lösung gestoppt. Die Nanokristalle werden aus der Wachstumslösung isoliert, indem ein weiteres Lösungsmittel zugegeben wird, das mit dem Ausgangslösungsmittel mischbar ist. Die entstandene trübe Lösung wird zentrifugiert und die Nanopartikel in Form eines Pulvers isoliert. Auch Metallkomplexe von Alkylthioharnstoffen haben sich als sehr gute Vorstufen für die Nanopartikelsynthese erwiesen.


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