Cold-Injection-Synthese von Nanoheterostrukturen basierend auf Zersetzung von Halbleiterclustern

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Boldt
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390144869

Nanokristalle haben erhebliches Potential für die Miniaturisierung funktionaler Materialien. Mittels nasschemischer Verfahren können sie mit zunehmend komplexerer Struktur realisiert werden. Komplexität wird entweder durch Erzeugen einer anisotropen Struktur erhalten (z.B. Nanostäbchen), durch Heterostrukturen (z.B. Kern/Schale-Partikel), oder beides. Abscheidung eines neuen Materials auf eine Nanostruktur erfordert eine Reaktion von Vorstufenverbindungen an der Oberfläche von Keimpartikeln als heterogene Nukleation. Hierfür müssen die Reaktivitäten der Vorstufen aneinander angepasst werden. Zusätzlich müssen Gitterfehlanpassung und Effekte von Liganden berücksichtigt werden. Daher verläuft die Synthese von Nanokristallen normalerweise bei hoher Temperatur. Komplexe Morphologien degradieren rasch in großer Hitze: Anisotrope Strukturen schmelzen zu sphärischen Partikeln, während Grenzflächen in Heterostrukturen einen Materialgradienten bilden. Reaktionen bei hohen Temperaturen begrenzen daher die Komplexität von nasschemisch hergestellten Nanostrukturen. Milde Reaktionsbedingungen, niedrige Temperatur und Abwesenheit von Zersetzungsreaktionen der Präkursoren würde diese Einschränkungen umgehen und Synthese einer viel breiteren Palette von Nanostrukturen ermöglichen. In diesem Projekt möchten wir eine neue, synthetische Route zur Bildung nanokristalliner Heterostrukturen etablieren, basierend einen "Cold-Injection"-Ansatz. Hierbei werden chemische Trigger anstatt physikalischer Parameter zur Initiierung der Wachstumsreaktion von Nanokristallen eingesetzt. Wir beabsichtigen, ultrakleine Halbleitercluster als Materialquelle einzusetzen. Diese Cluster können ex-situ hergestellt werden und dienen als Reservoir für das Zielmaterial. Aufgrund ihrer molekularen Struktur können diese Cluster bei definierten Bedingungen zersetzt werden. Durch die Trennung der Bildung- und Wachstumsreaktion handelt es sich um einen generellen Ansatz, der auf ein breites Spektrum von Materialien angewendet werden kann. Die Verwendung chemischer Trigger für den Reaktionsstart erlaubt ein Arbeiten unter sehr milden Bedingungen und thermodynamischer Kontrolle, was entscheidend für thermisch instabile Morphologien ist. Herstellung definierter Heterostrukturen wird dadurch mit deutlich niedrigeren Energiekosten möglich. Wir werden das Prinzip auf zwei halbleitende Modellsysteme anwenden, die Bildung von "harten" Potentialstufen in Kern/Schale-Partikeln und das regioselektive Wachstum anisotroper Partikel in nur einer Richtung. Beide Systeme sind von großem Interesse sowohl für ein fundamentales Verständnis von Nanostrukturen als auch für zukünftige Anwendungen kolloidaler Nanokristalle in komplexen Materialien und Nanoelektronik. Die vorgeschlagene Synthese wird auch über den Rahmen des Projektes hinaus von großer Bedeutung sein, z.B. für mit Fremdatomen dotierten Nanokristallen, in denen Diffusion der Dotieratome unterdrückt werden muss, oder für größere Überstrukturen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Kooperationspartner: Professor Salvy Russo, Ph.D.