Eindimensionale Halbleiter-Nanodrähte mit starkem Quanteneinschlusseffekt – Quantendrähte (QWs) – sind von großem Interesse für Anwendungen in der fortgeschrittenen Optoelektronik und photochemischen Umwandlungen. Über die hochmodernen Cd-haltigen QWs hinaus haben ZnSe-QWs als repräsentativer schwermetallfreier Halbleiter das größte Potenzial für umweltfreundliche Anwendungen der nächsten Generation gezeigt.
Leider sind die bisher hergestellten ZnSe-Nanodrähte weitgehend auf das starke Quanteneinschlussregime mit Absorption von nahezu violettem Licht oder auf das Volumenregime mit nicht wahrnehmbaren Exzitonmerkmalen beschränkt. Die gleichzeitige, bedarfsgesteuerte und hochpräzise Manipulation ihrer radialen und axialen Größe – die eine starke Quantenbeschränkung im Blaulichtbereich ermöglicht – war bisher eine Herausforderung, was ihre weiteren Anwendungen erheblich behindert.
In einem neuen Artikel, der in der National Science Review, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor YU Shuhong von der University of Science and Technology of China (USTC) über die On-Demand-Synthese hochwertiger, blaulichtaktiver ZnSe-QWs durch die Entwicklung eines flexiblen Syntheseansatzes – eines zweistufigen – berichtet katalytische Wachstumsstrategie, die eine unabhängige, hochpräzise und weitreichende Steuerung des Durchmessers und der Länge von ZnSe-QWs ermöglicht. Auf diese Weise schließen sie die Lücke zwischen früheren ZnSe-QWs in magischer Größe und massiven ZnSe-Nanodrähten.
Die Forscher fanden heraus, dass eine neue epitaxiale Ausrichtung zwischen den Katalysatorspitzen der kubischen Phase und Wurtzit-ZnSe-QWs die Bildung von ultradünnen, stapelfehlerfreien QWs kinetisch begünstigt. Die starke Quantenbeschränkung, die hochgradige Größenkontrolle und das Fehlen gemischter Phasen führen zusammen zu ihrer wohldefinierten, ultraschmalen exzitonischen Absorption im Blaulichtbereich mit voller Breite bei halbem Maximum (FWHM) von unter 13 nm. Nach der Oberflächen-Thiol-Passivierung beseitigten sie weiter die Oberflächen-Elektronenfallen in diesen ZnSe-QWs, was zu langlebigen Ladungsträgern und einer hocheffizienten Solar-zu-H2-Umwandlung führte.
Es wird angenommen, dass die zweistufige katalysierte Wachstumsstrategie für eine Vielzahl von kolloidalen Nanodrähten allgemein gilt. Der Zugang zu diesen hochwertigen Nanodrähten würde somit zukünftig eine vielseitige Materialbibliothek für schwermetallfreie Anwendungen in Solarkraftstoffen und Optoelektronik bieten.
Yi Li et al, On demand Definition hochwertiger, blaulichtaktiver kolloidaler ZnSe-Quantendrähte, National Science Review (2022). DOI: 10.1093/nsr/nwac025