Helles Leuchten - nur ohne Sauerstoff - Spektrum der Wissenschaft

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Winzige Halbleiterkriställchen können dazu bewogen werden, Licht abzugeben - in Wellenlängenbereichen, die konventionellen Farbstoffen nur bedingt offen stehen und heller, als man es von diesen gewohnt ist. Dies zeigten israelische Wissenschaftler am Beispiel einiger so genannter Kern-Schalen-Nanokristalle aus dem Halbleiter Indiumarsenid. Die Bedingung ist, daß die Kriställchen vor der Zersetzung etwa durch Sauerstoff geschützt werden.

Daß winzige Kriställchen aus halbleitenden Materialien nach entsprechender Anregung farbig leuchten, ist schon länger bekannt. Grundlage des Effekts ist im Prinzip derselbe Mechanismus, der auch Indigo und anderen organischen Farbstoffen ihre Farbe verleiht. In diesen Molekülen kann man Elektronen durch Energiezufuhr in höhere Energiezustände, früher "Bahnen" genannt, anregen; nach einiger Zeit fallen sie jedoch auf ihr Ausgangsniveau zurück und geben die Energiedifferenz zwischen hoher und niedriger Bahn in Form von farbigem Licht ab.

Anstelle streng abgegrenzter Molekülbereiche in den organischen Farbstoffen dienen den Elektronen im Indiumarsenid jedoch alle enthaltenen Atome als "Stadion", da in Halbleitern die Elektronenbahnen aller in den Kriställchen enthaltenen Atome überlappen – je größer also die Indiumarsenid-Kügelchen, desto ausgedehnter sind auch die Bahnen, die den Elektronen darin zur Verfügung stehen. Da die Differenz der Bahnenergien die Wellenlänge des abgegebenen Lichts bestimmt, hängt die Farbe, mit der diese Atomansammlungen leuchten, direkt von der Größe dieser Nanokriställchen ab. Damit sind die Halbleiterforscher für den farbigen Effekt nicht mehr auf das komplizierte Design von Farbstoffmolekülen angewiesen: Sie müssen "nur" dafür sorgen, daß in ihren Reagenzgläsern nanometergroße Indiumarsenid-Kügelchen passender Größe entstehen.

Ein Problem war bislang jedoch, daß die an der Oberfläche dieser Partikel liegenden Atome leicht durch aggressive Gase wie etwa dem Sauerstoff aus der Luft angegriffen werden. Das verringerte die Helligkeit der Nanokristalle, da in derartig kleinen Partikeln ein großer Teil der Atome an der Oberfläche liegt. Dem israelischen Chemiker Uri Banin und seinem Mitarbeiter Yun-Wie Cao von der Hebrew University of Jerusalem gelang es aber, ihre Halbleiter-Kriställchen zu schützen, indem sie sie mit einer dünnen Schicht aus wenigen Atomlagen des stabileren Halbleiters Cadmiumselenid umgaben. Dieser dichte Mantel verhindert die Zersetzung des Indiumarsenid-Kerns. Dadurch leuchten die derart eingepackten Kriställchen sogar heller als ein bekannter Laserfarbstoff.