Quantenkonfinement

Quantenkonfinement bezeichnet einen quantenmechanischen Effekt, bei dem Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in Systemen räumlich eingeschränkt werden, deren Abmessungen in der Größenordnung der De-Broglie-Wellenlänge liegen. In diesem Regime wandeln sich die typischerweise dichten Energiebandstrukturen zu diskreten Energiezuständen um. Das führt zu einer verstärkten Abhängigkeit elektronischer und optischer Eigenschaften von der Größe des Systems.

Konfinierte Systeme treten in Nanostrukturen wie Quantenpunkten (0D), Nanodrähten bzw. Quantenstäben (1D) und Quantenwellenschichten bzw. Quantenwellen (2D) auf. Gegenstück ist das Bulkmaterial, in dem die Energiezustände als Kontinuum auftreten.

Wesentliche Folgen sind eine Vergrößerung der effektiven Bandlücke bei abnehmenden Abmessungen und damit eine Verschiebung von Absorptions- und Emissionsspektren zu höheren Energien (Blue Shift). Die Energieabstände zwischen den diskreten Zuständen wachsen typischerweise mit 1/L^2 (im einfachsten Modell). Außerdem spielen Wechselwirkungen wie die Elektron-Loch-Anziehung im Exciton eine Rolle, insbesondere in sehr kleinen Strukturen.

Quantenkonfinement wird oft mit dem Partikel-im-einem-Kasten-Modell beschrieben; die effektive Masse des Trägers und das Dielektrizitätsumfeld bestimmen die Abstände der Zustände. Real existieren Oberflächenzustände, Defekte und Umgebungsdielektrizität, die das Verhalten modulieren.

Anwendungen finden sich in der Optoelektronik und Nanophotonik, etwa in LEDs, Lasern, Solarzellen und Biobildgebung, wo die Größe der Nanostrukturen die Emissionswellenlänge steuert. Die kontrollierte Herstellung und Größenverteilung ist eine zentrale technische Herausforderung.