Halbleiterkristallchen

Halbleiterkristallchen, auch als Halbleiterquantenpunkte oder Nanokristalle bezeichnet, sind winzige, kristalline Strukturen im Nanometerbereich, die aus Halbleitermaterialien wie Cadmiumselenid (CdSe), Indiumphosphid (InP) oder Galliumarsenid (GaAs) bestehen. Diese Partikel weisen aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanische Effekte auf, die ihre optischen und elektronischen Eigenschaften im Vergleich zu größeren Halbleitermaterialien deutlich verändern. Durch die Beherrschung ihrer Größe und Form lassen sich Halbleiterkristallchen gezielt für spezifische Anwendungen herstellen.

Die Herstellung erfolgt meist durch chemische Syntheseverfahren, bei denen die Partikel in Lösung unter kontrollierten Bedingungen wachsen. Durch die Anpassung von Temperatur, Reaktionszeit und verwendeten Vorläufersubstanzen können Größe, Form und Zusammensetzung der Kristallchen präzise gesteuert werden. Typische Größen liegen im Bereich von 2 bis 10 Nanometern, wobei kleinere Partikel tendenziell eine höhere Energie der emittierten Photonen (blauverschoben) aufweisen.

Halbleiterkristallchen finden Anwendung in verschiedenen technologischen Bereichen. In der Optoelektronik dienen sie als effiziente Lichtemitter, etwa in Displays, LED-Technologie oder biologischen Markierungsstoffen (Fluoreszenzmarkern). Aufgrund ihrer hohen Quantenausbeute und Farbstabilität eignen sie sich besonders für Anwendungen in der Medizin, etwa zur Krebsdiagnostik oder als Kontrastmittel in der Bildgebung. Zudem werden sie in der Quantenoptik erforscht, da sie als Einzelphotonenquellen für verschlüsselte Kommunikationssysteme (Quantenkryptographie) genutzt werden können.

Ein zentraler Vorteil dieser Materialien liegt in ihrer Tunierbarkeit: Durch Variation der Größe und Zusammensetzung lassen sich die optischen Eigenschaften – wie Absorptions- und Emissionswellenlängen – gezielt einstellen. Allerdings bergen einige Halbleitermaterialien, insbesondere Cadmiumverbindungen, toxikologische Risiken, was die Handhabung und Anwendung einschränkt und alternative, weniger giftige Halbleiter wie Zinkoxid (ZnO) oder Kupferindiumselenid (CuInSe₂) in den Fokus rückt.