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Quantenpunkt

Ein Quantenpunkt (engl. quantum dot) ist eine nanoskopische Materialstruktur, meist aus Halbleitermaterial (z.B. InGaAs, CdSe oder auch GaInP/InP). Ladungsträger (Elektronen, Löcher) in einem Quantenpunkt sind in ihrer Beweglichkeit in allen drei Raumrichtungen so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern nur noch diskrete Werte annehmen kann (siehe Größenordnung/Spektrum). Quantenpunkte verhalten sich also ähnlich wie Atome, jedoch kann ihre Form, Größe oder die Anzahl von Elektronen in ihnen beeinflusst werden. Dadurch lassen sich elektronische und optische Eigenschaften von Quantenpunkten maßschneidern. Typischerweise beträgt ihre eigene atomare Größenordnung etwa 104 Atome. Gelingt es, mehrere einzelne Quantenpunkte in unmittelbarer Nähe zueinander anzuordnen, so dass Ladungsträger (v.a. Elektronen) über Tunnelprozesse von einem in den nächsten Quantenpunkt hüpfen können, so spricht man von Quantenpunktmolekülen.

Inhaltsverzeichnis

Methoden zur Herstellung von Quantenpunkten

Größenordnung

Die Größe des Quantenpunkts liegt im Bereich der De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons, weil hier die Quanteneigenschaften zu Tage treten. Die De-Broglie-Wellenlänge für ein Elektron bei Raumtemperatur ist:

Es gilt hierbei:

Damit ergibt sich:

Für Löcher ergibt sich durch die höhere Masse bei diesen Quantenpunktgrößen ein schwächeres Confinement. Das heißt, die linienartige Energiestruktur (Zustandsdichte 0D) ist nicht so stark ausgeprägt.

Der Quantenpunkt bildet einen Potentialtopf, der ein quantenmechanisches Confinement darstellt, d.h. eine stärkere Lokalisierung der Wellenfunktion bewirkt.

Spektrum

Aufgrund der zuvor bestimmten Größe des Quantenpunktes bilden sich atomähnliche Zustände. Der Übergang vom klassischen Bändermodell der Halbleiterphysik zu den quantisierten Energieniveaus niederdimensionaler Festkörper ist dabei kontinuierlich und von der Stärke des Einschlusses bzw. der Beschränkung (engl: 'confinement') der Wellenfunktion des im Quantenpunkt befindlichen Ladungsträgers oder genauer, dessen Wellenfunktion abhängig.

Das Spektrum eines Quantenpunktes definiert sich nun über die bei Rekombination der Ladungsträger abgestrahlte Energie. Erwartungsgemäß sollte das bei atomähnlich quantisierten Zuständen ein Linienspektrum sein. Nun muss die Dipolschwingung, die zu einer spektralen Linie führt, aber als gedämpfter harmonischer Oszillator mit endlicher Dämpfung verstanden werden. Bei der Fouriertransformation der Einhüllenden vom Ortsraum in die Frequenzdomäne erhält man eine Lorentzkurve, deren Breite von der Dämpfungskonstante abhängt. Man sagt, die Spektrallinien sind 'lorentzverbreitert'.

Ein Quantenpunktensemble, also mehrere Quantenpunkte, haben als gemeinsames Spektrum eine Gaußkurve. Diese spiegelt die gaußförmige Größenverteilung der Quantenpunkte um einen statistisch häufig auftretenden Wert wider, der durch den Wachstumsprozess begünstigt war.

Linienverbreiterungsmechanismen

Man unterscheidet in homogene

und inhomogene Verbreiterungsmechanismen, wobei letztere vor allem durch das Vorhandensein mehrerer Quantenpunkte in der Probe als erwartet zustandekommt (siehe: Spektrum eines Quantenpunktensembles).

Verwendung

Quantenpunkte sind aufgrund ihrer beeinflussbaren optischen und elektronischen Eigenschaften interessant.