Buntes Mikrospektrometer

  • 02. July 2015

Optische Anregung von kolloi­dalen Quanten­punkten ermög­licht Messung von Spektren.

Ein kompaktes und relativ einfach herzustellendes Mikrospektrometer mit einem 300 nm großen Wellen­längen­bereich hat ein Forscher-Duo am MIT entwickelt. Es beruht auf den unter­schied­lichen optischen Eigen­schaften unter­schiedlich großer kolloi­daler Quanten­punkte. Das Spektrometer von Jie Bao und Moungi Bawendi besteht aus einer bunten, etwa daumen­nagel­großen Anordnung von 195 Lichtfiltern und einem CCD-Chip, der jeweils mit mehreren Pixeln die von einem Filter durchge­lassene Licht­intensität misst. Als Filter dienen winzige Tropfen auf einem Glas­plättchen, die aus einem Lösungs­mittel mit kolloidalen Nanokristallen bestehen.

Abb.: Das Quantenpunkt-Spektrometer besteht aus seiner modifizierten Digitalkamera, in deren Objektivöffnung die daumennagelgroße Anordnung von 195 Filtern aus kolloidalen Quantenpunkten sichtbar ist. (Bild: J. Bao & M. G. Bawendi / NPG)

Abb.: Das Quantenpunkt-Spektrometer besteht aus seiner modifizierten Digitalkamera, in deren Objektivöffnung die daumennagelgroße Anordnung von 195 Filtern aus kolloidalen Quanten­punkten sichtbar ist. (Bild: J. Bao & M. G. Bawendi / NPG)

Jeder Tropfen enthält Halbleiterkristalle einer bestimmten Größe und chemischen Zusammen­setzung – Cadmium­sulfid oder Cadmium­selenid –, die als Quanten­punkte wirkten. Da sie etwa so groß sind wie der Radius von Exzitonen, also gebundenen Elektron-Loch-Paaren, können in ihnen nur solche Exzitonen optisch angeregt werden, die in sie „hineinpassen“. Je kleiner ein Kristall ist, desto größer ist die aus dieser Einschränkung resultierende Bandlücke und desto stärker blau­verschoben ist seine optische Absorption und Fluoreszenz.

Deshalb hat jeder Kolloid­tropfen sein eigenes Absorptions- und Fluo­reszenz­spektrum. Er filtert also einfallendes Licht in charakte­ristischer Weise, wie systema­tische Messungen der Forscher zeigten. Fällt Licht mit unbekann­tem Spektrum auf die Anordnung der 195 Filter, so gibt jeder von ihnen das in spezieller Weise veränderte Licht an bestimmte Pixel des CCD-Chips weiter. Aus den 195 vom CCD-Chip gemessenen Intensi­täten konnten die Forscher bei ihren Versuchen so Spektren im Bereich von 390 nm bis 690 nm näherungs­weise bestimmen. Dazu zerlegten sie das Spektrum in maximal 195 diskrete Frequenzen, für die sie die jeweilige Licht­intensität mit einem Algo­rithmus aus den gemessenen Intensi­täten berech­neten.

Bao und Bawendi testeten ihr Spektrometer zunächst für Licht mit verschiedenen Breitband­spektren, das sie aus weißem Licht durch spezielle Filter gewonnen hatten. Die berechneten Spektren stimmten mit den ursprüng­lichen hervorragend überein. Dann analysierten sie die schmalb­andige Fluo­reszenz­strahlung von fünf Proben aus unter­schiedlichen kolloi­dalen Quanten­punkten, die sie mit UV-Licht zum Leuchten anregten. Auch hier war die Überein­stimmung über­zeugend.

Schließlich untersuchten sie Spektren aus verschiedenen mono­chroma­tischen Kompo­nenten. Hier zeigte es sich, dass das Quanten­punkt­spektro­meter zwei Spektral­linien voneinander trennen kann, deren Abstand zwei bis drei Nanometer beträgt. Bao und Bawendi sind zuver­sichtlich, dass sich die spektrale Auflösung noch deutlich verbessern lässt, indem man mehr Filter aus kolloidalen Quanten­punkten nimmt, die einen größeren spektralen Bereich abdecken. Auch leistungs­fähigere Rekon­struktions­algo­rithmen sollten die Auflösung verbessern.

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Quantenpunkt­filter dauer­haft sind, weil die Quanten­punkte im Gegensatz zu Farb­stoff­molekülen nicht ausbleichen. Da die verschiedenen Quanten­punkte trotz unter­schied­licher optischer Eigen­schaften ähnliche chemische Zusammen­setzungen besitzen, lassen sie sich problemlos in einem Array integrieren. Bei Filtern aus chemisch unter­schied­lichen Farb­stoffen stieße man hier schnell auf Schwierigkeiten.

Durch Tintenstrahldruck könnte man Arrays aus vielen winzigen Quanten­punkt­filtern von einigen Mikrometern Größe schnell und einfach herstellen. Zusammen mit ähnlich großen CCD-Pixeln würde dies eine erhebliche Miniaturisierung des Quanten­punkt­spektrometers erlauben, ohne dass seine spektrale Auflösung und sein Wellen­längen­bereich darunter leiden würden. Damit wären leistungs­fähige Spektro­meter möglich, die kleiner sind als der Bild­sensor einer Smartphone-Kamera. Für solche miniaturi­sierten und integrierten Spektro­meter auf einem Chip gibt es großen Bedarf, etwa in der Weltraum­forschung, der Medizin oder auch in der Umwelt­forschung. Bao und Bawendi weisen außerdem darauf hin, dass man statt des giftigen Cadmiums in den Quanten­punkten auch umwelt­freund­lichere Stoffe wie Zink­selenid oder Indium­phosphid verwenden kann.

Rainer Scharf

RK / OD

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