Nanostrukturen Hightech-Material: Forschungsteam beleuchtet Nanosynthese

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Nanoplättchen aus Cadmiumselenid sind ein erfolgversprechender Ausgangspunkt für neuartige elektronische Materialien. Ein Forschungsteam hat nun einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu ihrer gezielten Herstellung gemacht.

Cadmium-basierte Nanostrukturen bieten sich beispielsweise für die Entwicklung von zweidimensionalen Materialien an, die im nahen Infrarot (NIR) spezifische Wechselwirkungen mit Licht eingehen, in dem sie es entweder absorbieren, reflektieren, emittieren oder andere optische Eigenschaften aufweisen. Dieser Spektralbereich ist für zahlreiche Technologien von Interesse. In der medizinischen Diagnostik etwa ermöglichen solche Materialien tiefere Einblicke in Gewebe, da NIR-Licht weniger gestreut wird als sichtbares Licht. In der Kommunikationstechnologie finden NIR-Materialien Anwendung in hocheffizienten Glasfasersystemen, während sie in der Solarenergie potentiell die Effizienz von Photovoltaikzellen steigern können.

„Entscheidend für all diese Anwendungen ist die Fähigkeit, das Material gezielt so zu verändern, dass es die gewünschten optischen und elektronischen Eigenschaften aufweist“, sagt Dr. Rico Friedrich vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Professur für Theoretische Chemie an der TU Dresden. Zusammen mit einem Team von der TU Dresden und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW) hat er nun einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur gezielten Herstellung von Nanoplättchen aus Cadmiumselenid gemacht. „Das war bisher problematisch, denn meist glich die nanochemische Synthesearbeit eher einem Mischen und Ausprobieren“, fügt Prof. Alexander Eychmüller von der Professur für Physikalische Chemie an der TU Dresden hinzu. Beide Wissenschaftler haben gemeinsam das kooperative Forschungsprojekt geleitet.

Kationenaustausch zur Herstellung wohldefinierter Nanopartikel

Als besondere Herausforderung gilt dabei, die Anzahl der atomaren Schichten und deren Zusammensetzung in den Nanostrukturen – und damit die Dicke – gezielt zu kontrollieren, ohne dabei ihre Breite und Länge zu verändern. Die Synthese solcher komplexen Nanopartikel ist eine zentrale Herausforderung in der Materialforschung. Hier setzt der Kationenaustausch an, eine Methode, bei der bestimmte Kationen – positiv geladene Ionen – in einem Nanopartikel gezielt durch andere ersetzt werden. „Das Verfahren erlaubt eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung und Struktur, sodass sich Partikel mit Eigenschaften herstellen lassen, die durch herkömmliche Synthesemethoden nicht darstellbar wären. Dennoch ist bislang wenig darüber bekannt, wie genau diese Reaktion abläuft und an welchem Punkt sie beginnt“, sagt Eychmüller.

In der aktuellen Arbeit des Teams lag der Fokus auf Nanoplättchen, deren aktive Ecken eine entscheidende Rolle spielen. Diese Ecken sind chemisch besonders reaktiv und ermöglichen die Verknüpfung der Plättchen zu organisierten Strukturen. Um diese Effekte besser zu verstehen, kombinierten die Forschenden ausgefeilte synthetische Verfahren, atomar aufgelöste (Elektronen-)Mikroskopie und umfangreiche Computersimulationen.

Hohe Reaktivität und Selektivität einzelner Atome nutzen

Aktive Ecken und Defekte in Nanopartikeln sind nicht nur für ihre chemische Reaktivität interessant, sondern auch für ihre optischen und elektronischen Eigenschaften. An diesen Stellen kommt es häufig zu einer Konzentration von Ladungsträgern, die den Ladungsträgertransport und die Lichtabsorption beeinflussen kann. „In Kombination mit der Fähigkeit, einzelne Atome oder Ionen auszutauschen, könnten solche Defekte auch in der Einzelatomkatalyse Anwendung finden. Dabei wird die hohe Reaktivität und Selektivität einzelner Atome genutzt, um chemische Prozesse effizienter zu gestalten“, erläutert Friedrich. Und auch für die NIR-Aktivität von Nanomaterialien ist die genaue Kontrolle solcher Defekte entscheidend. Sie beeinflussen, wie Licht im nahen Infrarot absorbiert, emittiert oder gestreut wird, und bieten somit Ansatzpunkte, um die optischen Eigenschaften gezielt zu optimieren.

Verknüpfung von Nanostrukturen: Ein Schritt zur Selbstorganisation

Ein weiteres Ergebnis dieser Forschung ermöglicht, die Nanoplättchen gezielt zu verknüpfen. Durch die aktiven Ecken können die Partikel zu geordneten oder sogar selbstorganisierten Strukturen kombiniert werden. Diese Organisation könnte in zukünftigen Anwendungen genutzt werden, um komplexe Materialien mit integrierten Funktionen zu erzeugen, beispielsweise für NIR-aktive Sensoren oder neuartige elektronische Bauteile. In der Praxis könnten solche Materialien die Effizienz von Sensoren und Solarzellen steigern oder neue Wege in der Datenübertragung ermöglichen. Gleichzeitig liefert die Forschung grundlegende Einblicke, die auch für andere Bereiche der Nanowissenschaft von Bedeutung sind, beispielsweise die Katalyse oder die Entwicklung von Quantenmaterialien.

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