Nanokristall

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Ein Nanokristall ist ein Nanopartikel bzw. ein kristalliner Festkörper mit Abmessungen im Bereich weniger bis vieler Nanometer und einer überwiegend geordneten Gitterstruktur.<ref name="SuryanarayanaKoch2000">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref> Der Begriff wird in der Literatur teils unscharf verwendet: Je nach Kontext bezeichnet er (i) einzelne kristalline Nanopartikel („Nanokristalle“) oder (ii) „nanokristalline Materialien“ als polykristalline Festkörper mit sehr kleinen Körnern/„Grains“, typischerweise < 100 nm.<ref name="SuryanarayanaKoch2000" />

Nanokristalle sind technisch und wissenschaftlich relevant, weil viele Eigenschaften – etwa mechanische Festigkeit, Diffusions- und Transporteigenschaften oder elektronische Parameter – stark von Größe, Oberflächenchemie und Grenzflächenanteil abhängen.<ref name="SuryanarayanaKoch2000" /><ref name="Yazdani2020">{{#invoke:Vorlage:Literatur|f}}</ref>

Begriffsabgrenzung

Nanokristall (allgemein): kristalliner Festkörper/Nanopartikel im Nanometerbereich.<ref name="SuryanarayanaKoch2000" />
Nanokristallines Material: (meist) polykristalliner Festkörper mit Korngrößen im Nanometerbereich (typisch < 100 nm).<ref name="SuryanarayanaKoch2000" />
Quantenpunkt: häufig verwendete Bezeichnung für halbleitende Nanokristalle im sehr kleinen Größenbereich, bei denen Quanteneinschluss die optoelektronischen Eigenschaften stark prägt (Begriffsgebrauch je nach Fachgebiet).<ref name="Yazdani2020" />

Struktur und Größenabhängigkeit

Nanokristalle bzw. nanokristalline Festkörper besitzen aufgrund der kleinen Korngrößen einen großen Anteil an Grenzflächen (z. B. Korngrenzen). Bei nanokristallinen Metallen kann dadurch ein erheblicher Anteil der Atome in oder nahe an Grenzflächen liegen, was das Materialverhalten deutlich beeinflusst.<ref name="SuryanarayanaKoch2000" />

Bei aus Nanokristallen aufgebauten Halbleiter-Schichten („Nanokristall-Filme“) lassen sich elektronische Parameter über eine mehrdimensionale „Design-Space“ systematisch einstellen, u. a. über Größe, Form, Zusammensetzung, Oberflächen-/Ligandenchemie und Packung der Nanokristalle.<ref name="Yazdani2020" />

Eigenschaften

Zu den häufig berichteten, größen- und grenzflächengetriebenen Eigenschaften nanokristalliner Materialien zählen u. a. erhöhte Festigkeit/Härte, veränderte Diffusions- und Transporteigenschaften sowie Änderungen elektrischer und thermischer Kenngrößen im Vergleich zu grobkörnigen Materialien; die Interpretation früher Ergebnisse kann jedoch durch Porosität und Verarbeitungsartefakte beeinflusst sein.<ref name="SuryanarayanaKoch2000" /> Für nanokristallbasierte Halbleiter ist insbesondere relevant, dass Ladungstransport und elektronische Eigenschaften empfindlich von Größenverteilung („disorder“), Trap-Dichte sowie Grenzflächen-/Ligandenchemie abhängen.<ref name="Yazdani2020" />

Herstellung

Nanokristalline Materialien können nach unterschiedlichen Strategien hergestellt werden, z. B. durch Kondensation aus der Gasphase, mechanisches Legieren/Mahlen, Elektroabscheidung oder kontrollierte Kristallisation amorpher Phasen; Prozessparameter erlauben dabei eine gezielte Einstellung von Korngröße, Morphologie und Zusammensetzung.<ref name="SuryanarayanaKoch2000" />

Anwendungen

Anwendungen werden u. a. in strukturellen Werkstoffen, magnetischen Materialien, funktionellen Beschichtungen sowie (bei halbleitenden Nanokristallen) in elektronischen und optoelektronischen Bauelementen diskutiert bzw. realisiert (z. B. Dünnschichtsysteme auf Basis von Nanokristallen).<ref name="SuryanarayanaKoch2000" /><ref name="Yazdani2020" />

Literatur

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Einzelnachweise

Weblinks

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