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Kontakt

Leiterin der Arbeitsgruppe:

Dr. Joanna Kolny-Olesiak

Nanochemie
Abteilung EHF
Institut für Physik
Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
Carl-von-Ossietzky-Straße 9-11
D-26129 Oldenburg

Telefon +49 (0)441-798 3261
Fax +49 (0)441-798 3326
Raum W1A 2-202

joanna.kolny(at)uol.de

Forschung

Überblick

Im Fokus der Forschungsaktivitäten der Arbeitsgruppe Nanochemie stehen nasschemisch synthetisierte Halbleiter- und Metallnanopartikel. Diese nur wenige Nanometer großen Kristallite liegen in einem Größenbereich zwischen Molekülen und makroskopischen Festkörpern. Daraus ergeben sich neue, für Nanoteilchen spezifische Eigenschaften.

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Eigenschaften von Nanoteilchen

CdSe Nanopartikel

Abb. 1 CdSe Nanopartikel verschiedener Größe

Ein Beispiel für neue Eigenschaften, die bei Halbleiternanokristallen auftreten, ist die Abhängigkeit der elektronischen Struktur von der Teilchengröße, die als Größenquantisierungseffekt bezeichnet wird: Die Bandlücke eines nanokristallinen Halbleiters ist keine Stoffkonstante, sie hängt sowohl von der Art des Materials, als auch von der Teilchengröße ab. Durch die Kontrolle der Teilchengröße können also die optischen Eigenschaften von Halbleiternanopartikeln gesteuert werden (Abb. 1). Zusammen mit einer hohen Anregungsbreite, schmalen Emission und einer hohen Photostabilität eröffnet dies zahlreiche Anwendungsgebiete für Halbleiter-Nanoteilchen. Eine weitere wichtige Charakteristik von Nanokristallen ist der hohe Anteil an Oberflächenatomen, der einen Einfluss sowohl auf die elektronischen als auch auf die thermodynamischen Eigenschaften von Nanopartikeln hat, und einer der Gründe für die erfolgreiche Anwendung von Metallnanoteilchen in der Katalyse ist.

Synthese

Die Entwicklung von neuen Materialien ist einer der fundamentalen Schwerpunkte der chemischen Forschung. Das Ziel unserer Arbeiten an der Synthese von Nanopartikeln ist es, neben der Entwicklung von neuen Synthesemethoden auch einen tieferen Einblick in den Wachstumsmechanismus von Nanoteilchen zu erreichen, um Syntheseparameter gezielt verändern zu können, damit Partikel mit gewünschten Eigenschaften entstehen.

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Abb. 2 Nanopartikel aus verschiedenen Materialien

Das Ziel der Synthese ist, Teilchen mit einer schmalen Größenverteilung, einer bestimmten Größe und Form (rund, elongiert, verzweigt), und speziellen chemischen Eigenschaften (funktionelle Gruppen auf der Oberfläche, Löslichkeitseigenschaften) herzustellen. Es gibt viele verschiedene Ansätze, wie das Wachstum von Kristallen so gesteuert werden kann, dass Strukturen im Nanometerbereich entstehen. Einer davon ist die so genannte "hot-injection" Methode, mit der Nanopartikel aus vielen verschiedenen Halbleitermaterialien (II-VI, III-V, IV-VI Halbleiter) und Metallen (z.B. Co, FePt, CoPt3) in hochsiedenden organischen Lösungsmitteln synthetisiert werden können. Ein Vorteil dieser Methode ist die zeitliche Trennung von dem Keimbildungs- und dem Wachstumsschritt von Nanopartikeln und die Möglichkeit Nanoteilchen in stark übersättigten Lösungen zu synthetisieren. Dies führt zu einer engen Größenverteilung der synthetisierten Partikel.

Formkontrolle

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"> Abb. 3 Verschiedenene Formen bei CdTe Nanoteilchen.

Durch eine gezielte Steuerung der Anfangsbedingungen der Synthese können nicht nur sphärische, sondern auch stäbchenförmige oder verzweigte Nanopartikel synthetisiert werden. Man macht sich dabei zunutze, dass die elongierten oder verzweigten Nanoteilchen, die hohe Oberflächenenergien besitzen, durch Lösungen mit einem hohen chemischen Potenzial (also z.B. mit einer höheren Monomerkonzentration) stabilisiert werden. Einige Beispiele für Teilchenformen, die mit dieser Methode aus CdTe hergestellt werden können sind in Abb. 3 gezeigt.

Charakterisierungsmethoden

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In der Charakterisierung der Nanopartikel liegt ein wesentlicher Schwerpunkt bei der Untersuchung der Oberflächeneigenschaften, wobei mehrere Messmethoden kombiniert werden, die Informationen sowohl über die kolloidale Stabilität der Partikel, ihre Ligandenhülle und ihre elektronischen Eigenschaften liefern. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen verwendet werden, um katalytisch aktive Nanoteilchen zu synthetisieren, und um neue Absorbermaterialien für Solarzellen zu entwickeln. Dabei ist die Erfahrung auf dem Gebiet der Nanoteilchensynthese eine Voraussetzung, um spezielle Strukturen (Teilchengrößen und -formen, Kompositmaterialien) herzustellen. Die Kenntnis der Oberflächeneigenschaften bildet die Grundlage für die Oberflächenfunktionalisierung der Materialien, um optimale Eigenschaften für katalytische oder photovoltaische Anwendungen zu erreichen.

Webmaster (Stand: 10.09.2018)