Prinzip Praline: Umhüllte Nanokristalle für neue Laser

Intensives Laserlicht kann mit vielen Gasen und Festkörpern erzeugt werden. Winzige Nanokristalle aus so genannten Verbindungshalbleitern könnten die Palette der lichtspendenden Werkstoffe nun erweitern. Doch dafür müssen sie wie gefüllte Pralinen aufgebaut sein.

Los Alamos (USA) - Solche Mantel-Kern-Kristalle stellten nun amerikanische Physiker her und regten sie zum Leuchten an. Über ihre Resultate schreiben sie in der Fachzeitschrift "Nature".

Die Vorteile der Nanokristalle für Laser sind enorm: Einerseits wandeln sie Anregungen sehr effizient in Licht um, andererseits kann die Farbe des Lichts, die Wellenlänge, über die Größe der Kristalle verändert werden. Doch der technische Einsatz dieser Materialien scheiterte bisher an der schwierigen optischen Verstärkung bei reinen Nanokristallen. "Doch wir haben Kern-Mantel-Nanokristalle entwickelt, mit denen sich Elektronen und Löcher voneinander räumlich trennen lassen", schreiben Victor I. Klimov und seine Kollegen vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico.

Dazu verwendeten die Wissenschaftler die Verbindungshalbleiter Cadmiumsulfid und Zinkselenid. Aus einer flüssigen Lösung kristallisiert haben die CdS-Kerne einen Radius von etwa zwei Nanometern. Je kleiner ein solcher Nanokristall ist, desto kurzwelligeres Licht kann er aussenden. Den Mantel um diese Kerne bildet eine etwa einen Nanometer dicke Schicht aus Zinkselenid. Angeregt mit kurzen Laserpulsen, bildeten sich Elektron-Loch-Paare. Ohne einen Zinkselenid-Mantel vereinigen sich Elektron und Loch sehr schnell wieder über nicht strahlende Prozesse. Doch mit der nanokristallinen Hülle können Elektron und Loch räumlich voneinander getrennt werden. Die Löcher sammeln sich dabei in der Hülle, die Elektronen im Kern. So können sich Elektron und Loch leichter unter Aussendung eines infraroten Photons wieder vereinigen.

Die Kern-Mantel-Struktur bildet die Grundlage für einen effizienten, optischen Pumpprozess. Damit locken intensive Laser, deren Licht über die Größe der Partikel an die jeweils gewünschte Wellenlänge angepasst werden kann.