Fachbereich Chemie
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Publikation des Monats Februar 2026: Große InAs-Quantenpunkte für zukünftige Infrarottechnologien (AG Prof. Mews)
19. Mai 2026
Foto: Ekaterina Salikhova
Ekaterina Salikhova bei der Synthese von Quantenpunkten an der Glovebox.
Quantenpunkte sind winzige Halbleiter-Nanokristalle, deren optische Eigenschaften stark von ihrer Größe abhängen. Besonders InAs-Quantenpunkte gelten als vielversprechend für optische Anwendungen im nahen und kurzwelligen Infrarotbereich, beispielsweise in Telekommunikation, Umweltanalytik oder in Nachtsichtsystemen und autonomen Fahrzeugen. Aufgrund des hohen kovalenten Charakters dieser III-V-Materialien lässt sich eine Größenquantisierungseffekt, der zu einer Veränderung der Absorptions- und Emissionswellenlänge führt, bei diesen Materialien auch dann noch beobachten, wenn die Teilchen deutlich größer als 10 nm sind. Die kontrollierte nasschemische Herstellung größerer InAs-Partikel war aber aufgrund des hohen kovalenten Charakters dieser Systeme bisher äußerst schwierig. Weiter Komplikationen ergeben sich aus der hohen Luftempfindlichkeit der Ausgangsverbindungen und der Kontrolle der Oxidationsstufen der Indium-Ausgangsverbindungen. So ist bspw. seit einiger Zeit eine erfolgreiche Synthesemethode bekannt, bei der InCl als Ausgangsverbindung genutzt wurde, welches bei der Bildung von InAs zu elementarem Indium (0) und In(III) im InAs disproportioniert. Sowohl die Stöchiometrie als auch die Kontrolle von Nukleation und Wachstum war daher bisher nur bedingt gegeben, wodurch die erhaltenen Nanokristalle ein sehr breite Größenverteilung aufwiesen und darüber hinaus nur bis zu einer bestimmten Größe erhalten werden konnten.
In der nun in Nature Communications veröffentlichten Studie beschreiben wir erstmals die kolloidale Synthese von InAs-Quantenpunkten mit Größen bis zu 40 Nanometern, etwa dreimal so groß wie bisher in der Literatur bekannt. Erreicht wurde dies durch den Einsatz spezieller atomarer Cluster als Vorstufen, die zunächst durch die oben genannte Disproportionierungsreaktion erhalten werden konnten. Mit diesem Cluster als Ausgangsmaterial war sowohl die Stöchiometrie als auch die Oxidationsstufe des Ausgangsmaterials gegeben, was schließlich zu einer deutlichen Steigerung der Reaktionskontrolle geführt hat.
Charakteristisch für diese Cluster ist zum Beispiel, dass sie bei höheren Temperaturen von etwa 300 °C zerfallen und dabei reaktive Bausteine freisetzen, die entweder auf bereits vorhandenen Impfkristallen aufwachsen („seeded“ Wachstum) oder ab einer bestimmten Konzentration selbst Keime bilden („seedless“ Wachstum). In jedem Fall können durch kontinuierliche Zugabe von Clustern als Ausgangsverbindungen so „riesige“ Quantenpunkte entstehen. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen veranschaulichen die deutlichen Größenunterschiede zwischen den Clustern und den daraus entstandenen Quantenpunkten. Gleichzeitig kamen vergleichsweise günstige und kommerziell verfügbare Ausgangsstoffe zum Einsatz, was das Potenzial der Synthese für Anwendungen und eine spätere Aufskalierung zusätzlich unterstreicht.
Apparaturaufbau zur Synthese von Quantenpunkten in einer Glovebox (links). Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen: Atomare Cluster als Vorstufen (rechts oben) und die daraus gewachsenen großen InAs-Quantenpunkte (rechts unten).
Die hergestellten Nanostrukturen zeigen eine ausgeprägte optische Aktivität im Infrarotbereich und nähern sich in ihren Eigenschaften bereits dem Bulkmaterial an. Die Synthesemethode wurde von Ekaterina Salikhova im Rahmen ihrer Promotion am Fraunhofer IAP-CAN und der Universität Hamburg entwickelt. Die Ergebnisse führten darüber hinaus zu einer Patentanmeldung, die das hohe Anwendungspotenzial der Quantenpunkte unterstreicht. Nach ihrer Promotion forscht Ekaterina derzeit als Postdoktorandin in einer international renommierten Arbeitsgruppe für Nanostrukturen in Gent.
Langfristig eröffnen die Ergebnisse spannende Perspektiven für kostengünstigere und umweltverträglichere Infrarotmaterialien für die nächste Generation moderner Technologien. Wir sind gespannt, wohin die Entwicklung führt!
Original-Publikation:
Colloidal synthesis of large near-bulk InAs quantum dots through seeded and seedless growth using cluster precursors
Ekaterina Salikhova, Alf Mews, Hendrik Schlicke, Jan Steffen Niehaus
