Vom Sichtbaren zum Infrarot: Entwicklung hochwertiger Nanokristalle

Quantenpunkte, die 2023 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden, haben eine breite Palette von Anwendungen, die von Displays und LED-Leuchten bis hin zur Katalyse chemischer Reaktionen und Bioimaging reichen. Diese Halbleiter-Nanokristalle sind so klein – im Nanometerbereich –, dass ihre Eigenschaften – wie etwa die Farbe – größenabhängig sind und sie beginnen, Quanteneigenschaften aufzuweisen. Diese Technologie ist gut entwickelt, allerdings nur im sichtbaren Spektrum, sodass Möglichkeiten für Technologien im ultravioletten und infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums ungenutzt bleiben.

In neue Forschung veröffentlicht in NatursyntheseAndrew Smith, Professor für Bioingenieurwesen an der University of Illinois at Urbana-Champaign, und Wonseok Lee, Postdoktorand, haben Nanokristalle aus Quecksilberselenid (HgSe) und Quecksilbercadmiumselenid (HgCdSe) entwickelt, die im Infrarotbereich absorbieren und emittieren. Sie bestehen aus bereits gut entwickelten Cadmiumselenid-Vorläufern (CdSe) im sichtbaren Spektrum. Die neuen Nanokristallprodukte behalten die gewünschten Eigenschaften der ursprünglichen CdSe-Nanokristalle bei, einschließlich Größe, Form und Gleichmäßigkeit.

„Dies ist das erste Beispiel für Quantenpunkte im Infrarotbereich, die die gleiche Qualität aufweisen wie die im sichtbaren Spektrum“, sagt Smith.

Obwohl es die Nanokristalltechnologie bereits seit mehr als 50 Jahren gibt, wurden nur Nanokristalle, die im sichtbaren Teil des Spektrums arbeiten, wesentlich weiterentwickelt. Smith erklärt: „Sie sind ein wichtiger Bestandteil von Anzeigegeräten und ein wichtiger Bestandteil jeder Technologie, die Licht absorbiert oder emittiert. Es gab einfach einen inneren Drang, eine Technologie zu entwickeln, die am Ende des Tages den größten Markt hat.“

Über die bloße Marktnachfrage nach Nanokristallen im sichtbaren Spektrum hinaus ist die Chemie für Materialien im Infrarotbereich, der eine längere Wellenlänge und geringere Energie als Licht im sichtbaren Spektrum hat, schwieriger. Um Lichtabsorption und -emission im Infrarotbereich zu erreichen, müssen schwerere Elemente verwendet werden, die im Periodensystem weiter unten stehen. Die Chemie mit diesen Elementen ist schwieriger und führt zu mehr unerwünschten Nebenreaktionen und weniger vorhersehbaren Reaktionen. Sie neigen außerdem zum Abbau und sind empfindlich gegenüber Umgebungsveränderungen in der Umwelt, wie z. B. Wasser.

Quantenpunkt-Nanokristalle können aus elementaren Halbleitern wie Silizium hergestellt werden, oder sie können binär oder ternär sein. Das Mischen von zwei Elementen kann viele verschiedene Eigenschaften ergeben. Das Mischen von drei Elementen kann exponentiell mehr Eigenschaften ergeben.

„Wir haben uns auf diesen einen Materialtyp konzentriert, eine ternäre Legierung – Quecksilber-Cadmium-Diselenid –, weil wir glauben, dass es das ‚perfekte‘ Material sein könnte“, sagt Smith. „Man könnte im Grunde jede gewünschte Eigenschaft erzielen, indem man das Verhältnis von Cadmium- und Quecksilberatomen verändert. Es kann diesen riesigen Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken – vom gesamten Infrarot bis zum gesamten sichtbaren Spektrum – und so viele Eigenschaften erzielen.“

Smith hatte bereits seit seinem Graduiertenstudium erfolglos versucht, dieses Material herzustellen, und auch aus der breiteren Forschungsgemeinde liegen bislang keine Erfolgsmeldungen vor.

„Die Art und Weise, wie wir es gemacht haben, war [one of] die bereits ausgereiften, sichtbaren; Cadmiumselenid, das als der am weitesten entwickelte Quantenpunkt gilt, und es als „Opferform“ verwendet“, sagt er.

Der Ersatz der Cadmiumatome durch Quecksilberatome verschiebt alles sofort in das Infrarotspektrum, wobei alle gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben: starke Lichtabsorption, starke Lichtemission und Homogenität.

Dazu mussten Smith und Lee die traditionelle Methode der Nanokristallsynthese aufgeben, bei der die Vorläuferelemente miteinander vermischt werden. Unter den richtigen Bedingungen zersetzen sie sich in die gewünschte Nanokristallform. Wie sich herausstellte, gibt es keine Bedingungen, die für Quecksilber, Cadmium und Selenid funktionieren.

„Lee entwickelte ein neues Verfahren namens Interdiffusion Enhanced Cation Exchange“, sagt Smith. „Bei diesem Verfahren fügen wir ein viertes Element hinzu, Silber, das Defekte in das Material einführt, die dazu führen, dass sich alles homogen vermischt. Und damit war das ganze Problem gelöst.“

Quantenpunkte haben viele Anwendungsmöglichkeiten, aber eine Anwendung, die Infrarot-Quantenpunkte mit dem größten Potenzial haben dürfte, ist die Verwendung als molekulare Sonden für die Bildgebung, wo sie in biologische Systeme eingebracht und in Geweben nachgewiesen werden können. Da die meisten Quantenpunkte im sichtbaren Spektrum emittieren, können nur Emissionen nahe der Hautoberfläche nachgewiesen werden. Biologie ist im Infrarotbereich jedoch ziemlich transparent, und daher können tiefere Gewebe untersucht werden.

Mäuse sind die Standardmodelle für die meisten Krankheiten, und Smith erklärt, dass Forscher mit Quantenpunkten, die im Infrarotbereich emittieren, fast vollständig durch ein lebendes Nagetier hindurchsehen könnten, um seine Physiologie und die Position bestimmter Moleküle im gesamten Körper zu erkennen. Dies wird ein besseres Verständnis biologischer Prozesse und die Entwicklung von Therapeutika ermöglichen, ohne die Mäuse opfern zu müssen, was möglicherweise die präklinische Arzneimittelentwicklung verändern könnte.