Quantendots (QDs)

 

Quantenpunkte (QDs) sind nanoskopische, im Idealfall "nulldimensionale Halbleiterstrukturen". Die Größe der QDs ist kleiner als die De-Broglie-Wellenlänge der Elektronen bzw. kleiner als der Bohrsche Radius der Exzitonen. Durch diese Einschränkung der Elektronenbewegung verändern sich die optischen, elektrischen, magnetischen und teilweise auch die strukturellen Eigenschaften der Halbleiter erheblich.

Vor allem die optischen Eigenschaften der QDs sind von besonderem Interesse (siehe Bild 1), denn QDs verhalten sich nahezu wie "Ideale Fluorophore". Sie haben eine hohe Quantenausbeute, eine schmale symmetrische Emissionsbande, eine breite Absorptionsbande und eine hohe Photostabilität. Zudem ist es relativ einfach QDs unterschiedlicher Größe und damit unterschiedlicher Emissions- aber gleicher Absorptionswellenlänge über eine Pyrolysereaktionen von organometallischen Verbindungen zu synthetisieren.

Von besonderem Interesse sind dabei CdSe-Nanopartikel, denn sie emittieren im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, ungefähr zwischen 480 - 650nm. CdSe-QDs, "reiner Kern" (engl. core), besitzen eine sehr geringe photochemische Stabilität und werden deshalb mit einer Hülle (engl. shell) überzogen. Dazu lässt man direkt auf der Oberfläche des Kerns eine mindestens einlagige ZnS-Schicht wachsen. Um das Core-Shell-System in wässrige Medien zu überführen, wird es zusätzlich durch eine weitere Ummantelung (engl. coating) chemisch modifiziert. Eine einfache Möglichkeit für diese Ummantelung ist die Micellenbildung. Dazu wird ein bifunktionelles Molekül, dass mit der einen funktionellen Gruppe möglichst kovalent an die ZnS-Oberfläche des QD bindet und dessen andere funktionelle Gruppe das Molekül wasserlöslich macht, verwendet, z.B. Mercaptoessigsäure. Eine weitere Möglichkeit besteht durch die Ummantelung mit Polymeren. Die Polymerhülle schließt die QDs komplett ein und bietet den Vorteil, durch Funktionalisierung des Polymers, eine Vielfalt von chemisch reaktiven Oberflächen zu schaffen, an denen "Chemie" betrieben werden kann. Die oberflächenmodifizierten QDs können dazu verwendet werden, Biomoleküle zu markieren. Die QDs fungieren dabei als Ersatz für klassische Fluoreszenzlabels.


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