Nanokristalle

Nanokristalle sind nanoskalige, kristalline Partikel mit Größen von etwa 1 bis 100 Nanometern. Sie besitzen eine regelmäßige Gitteranordnung und zeigen aufgrund der geringen Abmessungen veränderte optische, elektronische und chemische Eigenschaften im Vergleich zu makroskopischen Kristallen. Die Eigenschaften hängen stark von Material, Größe und Oberflächenzustand ab.

Sie treten als Metallnanokristalle (z. B. Gold, Silber), Halbleiternanokristalle (z. B. CdSe, PbS) und Perowskitnanokristalle (z. B. CsPbX3) auf. Oft werden Kern- oder Kern-Schale-Strukturen verwendet. Eine äußere Schicht passiviert Oberflächenfehler, erhöht Stabilität und beeinflusst optische Eigenschaften.

Kolloidale Synthese in Lösung ist gängig. Methoden wie Hot-Injection oder solvothermal führen zu kontrollierter Nukleation und Wachstumsphasen; Größe und Form werden durch Temperatur, Reaktionszeit, Ligandenkonzentrationen gesteuert. Typische Liganden sind Oleinsäure, TOPO oder Phosphine, die Stabilität bieten und Oberflächenzustände beeinflussen. Reinigung erfolgt meist durch Zentrifugation und Waschschritte.

Wichtige Analysemethoden sind Transmissionselektromikroskopie (TEM) zur Bestimmung von Größe und Struktur, Röntgenkristallographie (XRD) zur Gitterordnung, sowie UV-Vis- und Photolumineszenzspektren zur optischen Charakteristik. Dynamische Lichtstreuung (DLS) oder SAXS liefern Informationen zur Größenverteilung.

Anwendungen reichen von Leuchtdioden, Solarzellen, Bio-Imaging, Katalyse bis zu Sensoren. Durch die Quanteneffekte lässt sich der Bandabstand durch Größe gezielt steuern, was speziell in Optoelektronik und Farbsystemen genutzt wird. Kern-Schale-Strukturen verbessern oft Ausbeute und Stabilität.

Herausforderungen sind Stabilität gegenüber Luft und Feuchtigkeit (insbesondere bei Perowskitnanokristallen), Umwelt- und Gesundheitsaspekte bei cadmiumhaltigen Nanokristallen sowie Skalierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Synthese. Sicherheit, Regulierung und ordnungsgemäße Entsorgung spielen eine Rolle.