In den süß-sauren Spareribs verbergen sich tatsächlich „Hightech-Materialien“! Es ist so mächtig, was in aller Welt ist es?

Nach Nanomaterialien haben in den letzten Jahren Quantenmaterialien an Popularität gewonnen.

Natürlich geht es nicht nur um Materialien. Alles wird High-End, sobald das Wort „Quanten“ hinzugefügt wird. Schließlich klingt die Quantenmechanik immer noch ein wenig beängstigend.

Doch es gibt eine Art Quantenmaterial, für das keine riesigen Fabriken, teuren Instrumente oder komplizierten Techniken erforderlich sind. Es braucht nur einen Topf und kann zu Hause zubereitet werden. Es handelt sich um Quantenpunktmaterial.

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Was ist das?

Wenn wir auf einen Begriff stoßen, von dem wir noch nie gehört haben, können wir genauso gut mit einer Reihe wissenschaftlicher „drei Eigenschaften“ beginnen: Was ist das? Was nützt das? Wie geht das?

Was also sind Quantenpunkte?

Wie der Name schon sagt, sind Quantenpunkte „Punkte“, die Quanteneigenschaften aufweisen können. Natürlich ist dieser „Punkt“ kein echter nulldimensionaler Punkt, aber er bedeutet, dass die Größe dieses Materials sehr klein ist. Die Größe von Quantenpunkten liegt üblicherweise zwischen einigen Nanometern und mehreren zehn Nanometern. Eine so geringe Größe reicht aus, damit Quantenpunkte Quanteneigenschaften wie Quantentunneln und Coulomb-Blockade aufweisen.

Cadmiumsulfid-Quantenpunkte auf Zellen | Quelle: Referenz [1]

Tatsächlich sind Quantenpunkte eine Ansammlung von Atomen mit einer bestimmten Struktur. Die von ihnen angeregten Exzitonen-Quantenzustände sind in drei Raumrichtungen gebunden (Exzitonen: gebundene Zustände, die durch Ladungen und Löcher unter Coulomb-Einwirkung gebildet werden). Dieser Bindungseffekt ist dem Bindungseffekt von Atomen auf Elektronen im dreidimensionalen Zustand in der Natur sehr ähnlich, weshalb Quantenpunkte auch als künstliche Atome bezeichnet werden.

Entsprechend den Hauptelementen, aus denen Quantenpunkte bestehen, können Quantenpunkte in Silizium-Quantenpunkte, Germanium-Quantenpunkte, Cadmiumsulfid-Quantenpunkte, Cadmiumselenid-Quantenpunkte, Cadmiumtellurid-Quantenpunkte, Zinkselenid-Quantenpunkte, Bleisulfid-Quantenpunkte, Bleiselenid-Quantenpunkte, Indiumphosphid-Quantenpunkte und Indiumarsenid-Quantenpunkte usw. unterteilt werden. Verschiedene Quantenpunkte werden auf unterschiedliche Weise hergestellt und können unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.

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Was nützt das?

Wofür werden Quantenpunkte verwendet?

Dies beginnt mit den Eigenschaften von Quantenpunkten.

Die Eigenschaften von Quantenpunkten liegen zwischen denen von Halbleitern und denen diskreter Atome und Moleküle. In Halbleitern absorbieren Elektronen Photonen, springen vom Valenzband ins Leitungsband und hinterlassen Löcher im Valenzband. Dieses Paar aus Elektronen und Löchern bildet unter dem Coulomb-Effekt Exzitonen. Wenn die Elektronen und Löcher, aus denen die Exzitonen bestehen, in ihre entsprechenden Grundzustände zurückkehren, wird die Energie der Exzitonen in Form von Photonen freigesetzt, wodurch Fluoreszenz entsteht.

Schematische Darstellung der Exzitonen-Energieniveaus | Quelle: Referenz [1]

Wie bereits erwähnt, gibt es in Quantenpunkten auch Exzitonen, und die Exzitonen in Quantenpunkten geben auch Energie in Form von Photonen ab, sodass Quantenpunkte normalerweise Fluoreszenz emittieren können. Und die optoelektronischen Eigenschaften von Quantenpunkten variieren typischerweise je nach Größe und Form. Große Quantenpunkte mit einem Durchmesser von 5–6 Nanometern emittieren Fluoreszenz mit längeren Wellenlängen, beispielsweise orangefarbenes oder rotes Licht; Kleinere Quantenpunkte (2–3 Nanometer) emittieren Licht mit kürzeren Wellenlängen und erzeugen Farben wie Blau und Grün. Die hervorragenden steuerbaren Lumineszenzeigenschaften von Quantenpunkten eröffnen ihnen breite Anwendungsaussichten im Bereich der Optoelektronik.

Quantenpunkte unterschiedlicher Größe emittieren Licht in unterschiedlichen Farben, wenn sie durch denselben Lichtstrahl angeregt werden | Quelle: Referenz [1]

Zu den potenziellen Anwendungen von Quantenpunkten zählen unter anderem Einzelelektronentransistoren, Solarzellen, Leuchtdioden, Laser, Einzelphotonenquellen, Quantencomputer, zellbiologische Forschung, Mikroskopie und medizinische Bildgebung.

Insbesondere im Bereich der Displays bieten Quantenpunkte einzigartige Vorteile. Der Unterschied zu herkömmlichen Displays besteht darin, dass Quantenpunktdisplays blaue LED-Lichtquellen verwenden. Wie bereits erwähnt, können Quantenpunkte unterschiedlicher Größe Licht unterschiedlicher Farben erzeugen. Nach dem Durchlaufen der entsprechenden Quantenpunkte wird das blaue LED-Licht in rotes bzw. grünes Licht umgewandelt. In Kombination mit dem blauen Licht, das direkt von den leeren Pixeln angezeigt wird, erhalten wir rotes, grünes und blaues RGB-Licht, das dann kombiniert werden kann, um die verschiedenen gewünschten Farben zu erzeugen. Bereits im Juni 2006 wurde die Konzeptversion eines Quantenpunktdisplays vorgeschlagen und 2013 gab es ein echtes kommerzielles Quantenpunktdisplay. Vielleicht ist das in Ihrem Zuhause ein Quantenpunktdisplay~

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Wie geht das?

Nach so vielen Vorbereitungen kommen wir endlich zu der Frage, über die wir am Anfang gesprochen haben: Wie bereitet man Quantenpunktmaterialien vor?

Derzeit können die Herstellungsverfahren für Quantenpunktmaterialien grob in drei Typen unterteilt werden: chemisches Lösungswachstumsverfahren, epitaktisches Wachstumsverfahren und elektrochemisches Verfahren. Für das Züchten unterschiedlicher Arten von Quantenpunkten eignen sich unterschiedliche Methoden. Lassen Sie uns nacheinander darüber sprechen.

Die erste ist die Methode des chemischen Lösungswachstums. Der Herausgeber bezeichnet diese Methode gerne als „Großtopf-Schmormethode“. Bei dieser Methode werden die Rohstoffe in einem bestimmten Verhältnis in eine chemische Lösung gegeben, für eine gewisse Zeit auf einer bestimmten Temperatur gehalten und erhitzt, und dann erhält man Quantenpunkte. Es ist einfach, sicher und effizient und verursacht in der Regel nur sehr geringe Umweltschäden. Es ist eine sehr verbreitete Zubereitungsmethode.

Hier müssen wir ein Quantenpunktmaterial erwähnen – Kohlenstoff-Quantenpunktmaterial. Das Besondere daran ist, dass die Rohstoffe und die Zubereitung ganz einfach sind. Fruchtsaft, Milch, Eiweiß, Vitamin C, Glukose, Grasblätter usw. können alle als Rohstoffe für die Herstellung von Kohlenstoff-Quantenpunkten verwendet werden, und der Herstellungsprozess stellt keine hohen Temperaturanforderungen.

Werfen Sie die übrig gebliebenen süß-sauren Schweinerippchen nicht weg. Nehmen Sie sie heraus und setzen Sie sie unter ultraviolettes Licht. Wenn Sie fluoreszierende Punkte sehen, handelt es sich um Kohlenstoff-Quantenpunkte.

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Das epitaktische Wachstumsverfahren kann in das Molekularstrahl-Epitaxiewachstumsverfahren und das chemische Gasphasenabscheidungsverfahren unterteilt werden. Das Prinzip besteht darin, die Reaktion und Ablagerung von Rohstoffen auf der Oberfläche eines bestimmten Substrats zu steuern, um Quantenpunkte zu erhalten. Die mit dieser Methode hergestellten Quantenpunkte sind gut steuerbar, insbesondere wenn sie durch Molekularstrahlepitaxie in einer Ultrahochvakuumumgebung gezüchtet werden, sodass die Reinheit des Produkts sehr hoch sein kann. Der Nachteil besteht darin, dass die Herstellungskosten relativ hoch sind und die freigesetzten Gase die Umwelt belasten können. Zusätzlich zu Quantenpunkten kann durch die Änderung von Parametern wie Wachstumstemperatur und -zeit ein weiteres Wachstum des Produkts auf dem Substrat ermöglicht werden, wodurch eindimensionale Nanoröhrenmaterialien oder zweidimensionale Dünnschichtmaterialien entstehen.

Bei der elektrochemischen Methode werden spezielle Rohstoffe als Elektroden verwendet und durch einen speziellen Elektrolyten ein Stromkreis gebildet. Durch Anlegen einer bestimmten Wechselspannung können die Quantenpunkte von den Ausgangsmaterialelektroden abgelöst werden. Diese Methode hat eine hohe Ausbeute und verursacht nur geringe Umweltschäden, ihr Nachteil besteht jedoch darin, dass nur eine begrenzte Anzahl von Quantenpunkten hergestellt werden kann.

Neben diesen drei Methoden gibt es noch viele weitere Verfahren zur Herstellung von Quantenpunkten, wie etwa Lichtbogenentladungsverfahren, Laserablationsverfahren, Verbrennungsverfahren, Plasmasyntheseverfahren usw. Verschiedene Verfahren haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und eignen sich zur Herstellung unterschiedlicher Arten von Quantenpunkten. Auch die Eigenschaften der gleichen Quantenpunkte, die mit unterschiedlichen Methoden hergestellt wurden, werden unterschiedlich sein.

Quantenpunktmaterialien klingen so hochwertig, aber sie können tatsächlich durch Kochen hergestellt werden. Jetzt muss ich öfter süß-saure Schweinerippchen essen.

Quellen:

[1] Quantenpunkt – Wikipedia

[2] Wang Zhenlin. Neue Fortschritte in der Oberflächenplasmonenforschung[J]. Fortschritte in der Physik, 2009, 29(03): 287-324.

[3] Lin Zhangbi, Su Xingguang, Zhang Hao, Mou Ying, Sun Ye, Hu Hai, Yang Bai, Yan Ganglin, Luo Guimin, Jin Qinhan. Forschung zur Verwendung von in wässriger Lösung synthetisierten Quantenpunkten als biolumineszierende Marker [J]. Zeitschrift für Chemie an Universitäten, 2003(02):216-220.

[4] Li Ting, Tang Jilong, Fang Fang, Fang Dan, Fang Xuan, Chu Xueying, Li Jinhua, Wang Fei, Wang Xiaohua, Wei Zhipeng. Synthese, Eigenschaften und Anwendungen von Kohlenstoff-Quantenpunkten[J]. Funktionale Materialien, 2015, 46(09):9012-9018+9025.

Autor: New Media Center des Instituts für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Rezension | Luo Huiqian, Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von | Wissenschaftliche Popularisierung China – Sternenhimmel-Projekt (Erschaffung und Kultivierung)

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

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