Neue Materialklasse entwickelt

Atomar präzise Metallcluster

28.03.2019 - Deutschland

Ein Forschungsteam von der Universität Hamburg und der Swansea University hat halbleitende Eigenschaften in einem Film von Nanoclustern aus 25 Goldatomen beobachtet. Diese Entdeckung könnte den Weg für eine Reihe neuer Anwendungen ebnen, von Fotodetektoren bis hin zu Leuchtdioden und Solarzellen.

Sie werden seit Jahrzehnten in Mobiltelefonen, Fernsehern und Solarzellen eingesetzt: kolloidale Quantenpunkte und organische Halbleiter. Diese Materialien bestehen aus kleinen Bausteinen mit Abmessungen im Nanometerbereich, in denen sich ganz neue Phänomene zeigen. Ein solches Phänomen ist die Quanteneinschränkung, die auftritt, wenn Objekte nur noch aus wenigen Atomen bestehen und diese durch die Quantenmechanik beschrieben werden müssen.

Eine Materialklasse, die auch Quanteneinschränkung aufweist, sind Cluster, die aus wenigen Metallatomen wie Gold, Palladium oder Silber bestehen. Obwohl die Metallcluster sowohl Aspekte von kolloidalen Quantenpunkten als auch von organischen Halbleitern kombinieren, konnten in früheren Studien keine halbleitenden Eigenschaften in Metallclustern beobachtet werden.

Wie in der Zeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht, hat die Gruppe von Prof. Dr. Christian Klinke, die an der Swansea University und der Universität Hamburg arbeitet, solche halbleitenden Eigenschaften in dünnen Lagen von Nanoclustern aus 25 Goldatomen nun beobachtet. Insbesondere haben Filme aus diesen Materialien Feldeffekt und Photoleitfähigkeit in Fototransistoren gezeigt. Die Entdeckung halbleitender Eigenschaften in Metallclustern könnte den Weg für eine Reihe neuer Anwendungen ebnen, von Feldeffekttransistoren und Fotodetektoren bis hin zu Leuchtdioden und Solarzellen. „Die Empfindlichkeit des Metallkerns gegenüber verschiedenen Molekülen und Gasen könnte die Metallcluster zu hochempfindlichen Sensoren machen", sagt Dr. Andrés Black, Postdoktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Klinke. „Und die Integration mit anderen Materialien mit geringen Dimensionen würde zudem neue und interessante Funktionalitäten ergeben", fügt Doktorand Michael Galchenko hinzu.

Durch die weitere Optimierung könnten Fortschritte erzielt werden, welche die Entwicklung von leicht herzustellenden, qualitativ hochwertigen halbleitenden Filmen aus Metallclustern ermöglichen. Um dies zu erreichen, könnten die Wissenschaftler etablierte kolloidale chemische Verfahren verwenden, wodurch ein ungehinderter Ladungstransport ermöglicht würde.