Neue Methode zur Beschichtung einzelner leuchtender Nanokristalle mit Siliciumdioxid
Leuchtende Nanokristalle sollen Tumore markieren, großflächige Flachbildschirme verbessern helfen oder die Basis für die optische Datenverarbeitung von Morgen bilden. Dabei handelt es sich um leuchtende Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien. Aufgrund ihrer minimalen Größe verfügen sie über chemischen Eigenschaften, die denen einzelner Moleküle ähneln. Aber erst die richtige Beschichtung macht die winzigen Kristalle voll funktionstüchtig. In einer deutsch-australischen Kooperation wurde nun eine neue, robuste Methode entwickelt, um Kriställchen aus Cadmiumselenid mit Zinksulfid-Schale (CdSe/ZnS) auf einfache Weise mit Siliciumdioxid so zu beschichten, dass jedes Siliciumdioxid-Kügelchen genau einen Quantenpunkt enthält.
Native CdSe-Quantenpunkte sind nur in unpolaren Lösemitteln stabil, aber für viele Anwendungen sind polare, protische Medien (Medien, die Protonen an gelöste Stoffe abgeben können) unumgänglich, etwa die wässrige Umgebung bei biomedizinischen Anwendungen. Eine Beschichtung muss her, um die Leuchtpünktchen zu stabilisieren, vor Sauerstoff zu schützen und um die Ablagerung von Substanzen zu unterbinden, die das Leuchten stören. Dabei darf die Beschichtung selber die Lumineszenz nicht beeinträchtigen und sollte biokompatibel sein. Eine Siliciumdioxidschicht würde diese Forderungen erfüllen. "Die üblichen Siliciumdioxid-Beschichtungsmethoden brauchen aber bereits ein polares Lösungsmittel," erklärt Thomas Nann vom Freiburger Materialforschungszentrum das Dilemma.
Zusammen mit Paul Mulvaney von der University of Melbourne entwickelte Nann eine neue Beschichtungsmethode: Die CdSe/ZnS-Nanokristalle liegen zunächst mit einer Beschichtung aus einer oberflächenaktiven organischen Phosphorverbindung vor, die dann schrittweise gegen polare Liganden ausgetauscht wird. Ligand der Wahl ist eine spezielle organische schwefelhaltige Silicium-Verbindung. Nun kann der Transfer in das polare, protische Lösungsmittel Ethanol erfolgen. Es enthält Tetraethoxysilan (TEOS) sowie ein kleine Menge an Wasser und Ammoniak, welche die Zersetzung von TEOS zu Siliciumdioxid katalysieren, das sich dann an den Nanokristalle abscheidet. Das Mengenverhältnis aller "Zutaten" muss exakt austariert sein. Nann: "Es muss sich genug Siliciumdioxid bilden, damit die Abscheidung vorangeht. Aber es darf nicht zuviel auf einmal sein, sonst entstehen zusätzlich leere Kügelchen." Zudem dürfen die wachsenden Partikel nicht verklumpen, sonst gibt es "Rosinenbrötchen" - Kugeln mit mehreren Quantenpunkten. Wasser hilft dagegen, weil es die Aufladung der Partikeloberfläche und damit die gegenseitige Abstoßung fördert. Durch sukzessive Zugabe von TEOS können die Kügelchen weiter beschichtet werden. So sind Durchmesser von 30 nm bis 1 µm zugänglich.
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