Neue Messmethode zeigt: Billige Quantenpunkte sind fast perfekt

29. April 2019, 13:56 Uhr
Eine schematische Darstellung von Quantenpunkten, die das von ihnen absorbierte Licht abstrahlen (Foto: Ella Marushchenko)
Eine schematische Darstellung von Quantenpunkten, die das von ihnen absorbierte Licht abstrahlen (Foto: Ella Marushchenko)
Moderne Elektronik, die zum Beispiel in Solarmodulen, Kamerasensoren und medizinischen Abbildungsgeräten eingesetzt wird, enthält oft Halbleitermaterial mit durchgehender homogener Kristallstruktur, einen Monokristall. Leider sind diese monokristallinen Materialien sehr teuer. Kleinere Nanokristalle, so genannte Quantenpunkte, sind viel einfacher herzustellen und deshalb billiger. Aus diesem Grund sind sie in der Unterhaltungselektronik wie Quantenpunkt-Fernsehgeräten zu finden. Der Nachteil war bisher aber, dass die Qualität dieser Nanokristalle nur schwer zu messen war. Forscher der Stanford University, der University of Berkeley und der Eindhoven University of Technology haben eine zufriedenerstellende Messmethode entwickelt. Sie hat gezeigt, dass Quantenpunkten sehr gut funktionieren. Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Fast perfekt

Mit Hilfe dieser neuen Messtechnik ist es möglich, billige und nahezu perfekte Halbleiter herzustellen, die so gut sind wie viel teurere Alternativen.
Die Forscher konzentrierten sich vor allem auf die Lumineszenz-Effizienz von Quantenpunkten: das Maß, in dem sie das von ihnen absorbierte Licht wieder emittieren. Dies ist ein wichtiger Indikator für die Qualität von Halbleitern. Dass Quantenpunkte diesbezüglich sehr effizient sind, war zwar schon in früheren Untersuchungen deutlich geworden, doch das neue Messverfahren zeigt, dass Quantenpunkte durchaus mit einem Einkristall konkurrieren können.

Vor- und Nachteile

Aber es gibt auch Nachteile. Quantenpunkte sind so klein, dass Milliarden davon benötigt werden, um die Arbeit eines perfekten Monokristalls zu verrichten. Aber je mehr Quantenpunkte man einsetzt, desto größer ist auch die Gefahr, dass irgend etwas schief geht, mit allen Konsequenzen für die Qualität.
Schon mit bereits bestehenden Messtechniken konnte man zeigen, dass Halbleiter von Quantenpunkten mit einem Lumineszenzwert von mehr als 99 % sehr effizient sind. Aber die Forscher brauchten eine neue Methode, um genau zu messen, wie effizient diese Nanokristalle sind.

Fast hundertprozentig

Dazu verwendeten sie eine Technik, die die Restwärme von angeregten Quantenpunkten anstelle der emittierten Lichtteilchen misst. Denn Restwärme deutet auf eine ineffiziente Abstrahlung hin. Dieses Messverfahren, das bei anderen Materialien schon länger üblich ist, erwies sich als hundertmal genauer als andere. Die Forscher entdeckten, dass Gruppen von Quantenpunkten durchschnittlich 99,6 % des absorbierten Lichts wieder emittieren (mit einem Fehler von ±0,2 %). Das ist vergleichbar mit der Emission der besten Einkristalle.
Im Gegensatz zu den Erwartungen und Befürchtungen zeigten sich die Quantenpunkte überraschend robust. Darüber hinaus ermöglicht das neue Messverfahren erstmals den Vergleich verschiedener Quantenpunktstrukturen untereinander.

Quelle: TU Eindhoven

 
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