Ein einfacher Weg zu Halbleiterkristallen
Kolloidale Materialien machen sich die kostengünstige Synthese und die nachfolgenden Verarbeitungsmethoden zunutze. Kupfer ist preiswert, reichlich vorhanden und hat eine relativ geringe Toxizität gegenüber Schwermetallen, die häufig in vielen Halbleitermaterialien genutzt werden. Zusammengenommen sind kolloidale Kupfer-Chalkogenide eine Kombination mit enormem Potenzial. Das EU-finanzierte Projekt "Low-toxicity copper chalcogenide semiconductor nanocrystals" (LOTOCON) konzentrierte sich auf die skalierbare und kontrollierbare Synthese von binären Kupfer-Chalkogeniden gefolgt von teilweisem Kationenaustausch. Der teilweise Ersatz von Kupferionen durch andere sollte die Einstellbarkeit der Zusammensetzung und die Morphologie verbessern. Die Wissenschaftler wählten die einfachste Kupfer-Chalkogenide als Ausgangspunkt, Nanoteilchen aus Kupfersulfid (Cu2S), Selen und Tellur. Die Team-Mitglieder entwickelten einen neuartigen Syntheseweg für deren kontrollierte Produktion bei moderaten Temperaturen, um die Verwendung von schädlichen und teuren Phosphinen zu vermeiden. Eine Vielzahl von Formen, von kleinen kugelförmigen Teilchen bis zu großen und dünnen 2D-Folien, wurde hergestellt. Die Materialien wurden erfolgreich als Kathoden für die Herstellung und das Testen von Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Die einfache Skalierbarkeit des Verfahrens ist ein wichtiger Faktor und bietet großes Potenzial für die industrielle Fertigung. Nachfolgende Arbeiten zum Teilkationenaustausch führten zur einfachen Herstellung von legierten Nanoplättchen mit einer abstimmbaren Bandlücke. Die Strategie wurde auch auf die im Rahmen des Projekts produzierten, viel größeren Kupfer-Selenid-Nanoschichten angewandt. Die Materialien wurden anschließend zu dünnen Filmen verarbeitet und in Solarzellengeräte implementiert. Die Kationenaustauschmethode ist anwendbar auf eine Vielzahl von Kationen und Kupfer-Chalkogenid-Nanopartikel. Dies stellt einen technisch wichtigen Weg zu einer Anzahl von Materialien dar, die ansonsten schwierig herzustellen wären. Aufbauend auf diesen Ergebnissen entwickelte das Team ein Eintopfsyntheseverfahren unter Verwendung von Cu2S-Nanokristallen und teilweisem Kationenaustausch von Cu mit Indium und Zink, was zu einer verbesserten Effizienz der Photolumineszenz und abstimmbarer Lichtemission führte. Tests zur Zytotoxizität bestätigten die Biokompatibilität und ebneten den Weg zur Anwendung als Fluoreszenz-Biomarker. Während des Projekts lieferte das Team wichtige Erkenntnisse zu den Mechanismen des Kationenaustauschs, einem weit verbreiteten aber noch schlecht verstanden Verfahren, was die wissensbasierte Entwicklung und Synthese fördern wird. Die Arbeit wurde mit viel Resonanz in renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht. Die LOTOCON-Technologie soll voraussichtlich weitreichenden Auswirkungen auf technisch relevante Bereiche wie etwa Solarzellentechnologie, Katalyse und Biomedizin haben.
Schlüsselbegriffe
Halbleiter, biokompatibel, kolloidal, Kupfer, Chalkogenid
