Künstliche Atome

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Internationales Forschungsteam beschreibt neue Anwendungen für Halbleiter-Quantenpunkte

Halb­lei­ter bilden die Grundlage für die Elektronik in Computern oder Mobiltelefonen und tragen maß­geb­lich zur Optoelektronik durch Laser und Leucht­di­o­den bei. Entscheidend für den tech­nisch­en Ein­satz ist die Mög­lich­keit, die Dimensionalität von Halb­lei­tern und damit die freie Beweglichkeit von Ladungen einzuschränken – von drei auf zu­nächst zwei und dann weiter auf eine und null Dimensionen. In nulldimensionalen Strukturen, auch Quantenpunkte genannt, weisen Elek­tro­nen, die darin eingeschlossen sind, diskrete Energiewerte auf, ähnlich wie Elek­tro­nen in Atomen. Daher wer­den Quantenpunkte oft auch künstliche Atome genannt. Prof. Manfred Bayer, Physiker (und Rektor der TU Dort­mund), hat zu­sam­men mit inter­nationalen Forschern nun wei­tere Anwendungspotenziale für Quantenpunkte in Halb­lei­tern aufgezeigt.

QD-Pyramide – Quantenpunkt (idealisiert) mit Benetzungsschicht (InAsGaAs) – Bild © Alexander Kleinsorge – de.wikipedia, CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

Die Ent­wick­lung von Quantenpunkten begann Mitte der 1980er-Jahre. Für ih­re Herstellung haben sich zwei unterschiedliche Ver­fah­ren etabliert: Das eine physikbasiert im Hochvakuum (epitaktische Quantenpunkte), das andere chemiebasiert durch Synthese in entsprechenden Lö­sun­gen (kolloidale Quantenpunkte).  Beide Ver­fah­ren fanden schnell ihren Weg in die An­wen­dung: Epitaktische Quantenpunkte kom­men zum Bei­spiel in Quantenpunktlasern, kolloidale Quantenpunkte als „Farbwandler“ zur Erzeugung der Farben Grün und Rot in Fernsehern zum Ein­satz. In jüngster Zeit haben Forscher größere Fortschritte ins­be­son­de­re in der Herstellung von Quantenpunkten ge­macht, die wei­tere An­wen­dungen er­mög­li­chen.

An­wen­dung in der Photovoltaik und im Gewächshaus

Um Per­spek­tiven und Probleme solcher An­wen­dungen geht es in dem Artikel, an dem Fachleute aus Toronto, Chicago, Los Alamos, Tokio, Barcelona und Dort­mund mitgewirkt haben. Er wurde am 06.08.2021 in Science ver­öf­fent­licht. Darin wird eine Vielzahl von möglichen Einsatzgebieten solcher nulldimensionaler Strukturen diskutiert.

So könnten kolloidale Quantenpunkte die Photovoltaik revolutionieren, indem sie bei­spiels­weise in Fenster eingebettet wer­den. Dafür müs­sen sie so beschaffen sein, dass sie Licht im sichtbaren Bereich passieren lassen, um die Räu­me nach wie vor hell zu ge­stal­ten. Licht im infraroten Bereich müs­sen sie dagegen absorbieren, so dass es dann in elektrische Energie umgewandelt wer­den kann. Dies kann durch die geeignete Wahl von Material und Größe der Quantenpunkte er­reicht wer­den. Auf diese Weise könnten bei­spiels­weise sämtliche Fensterfronten in Hochhäusern für die Photovoltaik genutzt wer­den. Mit dieser Tech­no­lo­gie könnte auch das Sonnenlicht in Gewächshäusern gezielt gelenkt wer­den, sodass Nutzpflanzen schneller reifen und geerntet wer­den kön­nen.

Die Forscher führen viele weitere An­wen­dungen im Artikel auf. Diese betreffen sehr unterschiedliche Technologiefelder wie bei­spiels­weise die Herstellung von ener­gie­effi­zien­ten Displays und Beleuchtungsmodulen für die Optoelektronik, Sensorik wie etwa in Wärmebildkameras, das Feld der Quantentechnologien oder den Ein­satz als medizinische Marker. In vie­len Be­rei­chen scheinen die An­wen­dungen zum Greifen nahe. In anderen sind wiederum noch signifikante He­raus­for­de­run­gen zu lösen – sei es die Ent­wick­lung von umweltfreundlichen Ma­te­ri­alien ohne Schwermetalle, die ressourcenschonende, „grüne“ Herstellung der Quantenpunkte durch neu­ar­ti­ge che­mi­sche Ausgangsstoffe oder ihr Recycling. Auch daran ar­bei­ten bereits Forscher*innen weltweit intensiv.

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