Nanokristall
Ein Nanokristall ist ein Nanopartikel bzw. ein kristalliner Festkörper mit Abmessungen im Bereich weniger bis vieler Nanometer und einer überwiegend geordneten Gitterstruktur.[1] Der Begriff wird in der Literatur teils unscharf verwendet: Je nach Kontext bezeichnet er (i) einzelne kristalline Nanopartikel („Nanokristalle“) oder (ii) „nanokristalline Materialien“ als polykristalline Festkörper mit sehr kleinen Körnern/„Grains“, typischerweise < 100 nm.[1]
Nanokristalle sind technisch und wissenschaftlich relevant, weil viele Eigenschaften – etwa mechanische Festigkeit, Diffusions- und Transporteigenschaften oder elektronische Parameter – stark von Größe, Oberflächenchemie und Grenzflächenanteil abhängen.[1][2]
Begriffsabgrenzung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Nanokristall (allgemein): kristalliner Festkörper/Nanopartikel im Nanometerbereich.[1]
- Nanokristallines Material: (meist) polykristalliner Festkörper mit Korngrößen im Nanometerbereich (typisch < 100 nm).[1]
- Quantenpunkt: häufig verwendete Bezeichnung für halbleitende Nanokristalle im sehr kleinen Größenbereich, bei denen Quanteneinschluss die optoelektronischen Eigenschaften stark prägt (Begriffsgebrauch je nach Fachgebiet).[2]
Struktur und Größenabhängigkeit
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nanokristalle bzw. nanokristalline Festkörper besitzen aufgrund der kleinen Korngrößen einen großen Anteil an Grenzflächen (z. B. Korngrenzen). Bei nanokristallinen Metallen kann dadurch ein erheblicher Anteil der Atome in oder nahe an Grenzflächen liegen, was das Materialverhalten deutlich beeinflusst.[1]
Bei aus Nanokristallen aufgebauten Halbleiter-Schichten („Nanokristall-Filme“) lassen sich elektronische Parameter über eine mehrdimensionale „Design-Space“ systematisch einstellen, u. a. über Größe, Form, Zusammensetzung, Oberflächen-/Ligandenchemie und Packung der Nanokristalle.[2]
Eigenschaften
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Zu den häufig berichteten, größen- und grenzflächengetriebenen Eigenschaften nanokristalliner Materialien zählen u. a. erhöhte Festigkeit/Härte, veränderte Diffusions- und Transporteigenschaften sowie Änderungen elektrischer und thermischer Kenngrößen im Vergleich zu grobkörnigen Materialien; die Interpretation früher Ergebnisse kann jedoch durch Porosität und Verarbeitungsartefakte beeinflusst sein.[1] Für nanokristallbasierte Halbleiter ist insbesondere relevant, dass Ladungstransport und elektronische Eigenschaften empfindlich von Größenverteilung („disorder“), Trap-Dichte sowie Grenzflächen-/Ligandenchemie abhängen.[2]
Herstellung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Nanokristalline Materialien können nach unterschiedlichen Strategien hergestellt werden, z. B. durch Kondensation aus der Gasphase, mechanisches Legieren/Mahlen, Elektroabscheidung oder kontrollierte Kristallisation amorpher Phasen; Prozessparameter erlauben dabei eine gezielte Einstellung von Korngröße, Morphologie und Zusammensetzung.[1]
Anwendungen
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Anwendungen werden u. a. in strukturellen Werkstoffen, magnetischen Materialien, funktionellen Beschichtungen sowie (bei halbleitenden Nanokristallen) in elektronischen und optoelektronischen Bauelementen diskutiert bzw. realisiert (z. B. Dünnschichtsysteme auf Basis von Nanokristallen).[1][2]
Literatur
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- A. Inoue; K. Hashimoto: Amorphous and nanocrystalline materials: preparation, properties, and applications. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-67271-0 (google.com).
Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ a b c d e f g h i C. Suryanarayana; C. C. Koch: Nanocrystalline materials – Current research and future directions. In: Hyperfine Interactions. Band 130, 2000, S. 5–44.
- ↑ a b c d e N. Yazdani; S. Andermatt; M. Yarema; V. Farto; M. H. Bani-Hashemian; S. Volk; W. M. M. Lin; O. Yarema; M. Luisier; V. Wood: Charge transport in semiconductors assembled from nanocrystal quantum dots. In: Nature Communications. Band 11, 2020, S. 2852, doi:10.1038/s41467-020-16560-7.
Weblinks
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- Oliver Morsch: Eine neue Theorie für Halbleiter aus Nanokristallen. ETH Zürich, 29. Juni 2020, abgerufen am 23. Juni 2024.