After decades of research and commercialization efforts, colloidal semiconductor nanocrystals (also referred to as ‘quantum dots’, QDs) mainly based on cadmium and lead chalcogenides are now on the verge of widespread application in display technologies. With regard to legal restrictions concerning the use of hazardous substances in electronics, the development of non-toxic materials with competitive product qualities is one of the current major research directions in that field. In the past years it turned out that the transfer of process routes to alternative materials is not straight-forward even in case of similar material classes as chalcogenide QDs. This thesis investigates the interplay of process technology and product properties for CuInS2 QDs and CuInS2-ZnS core-shell QDs. Briefly summarized, optimizations are carried out for both the synthesis and the post-synthetic processing, resulting in a reduction of the total number of necessary unit operations and process costs, while improvements in products’ properties are achieved. Complementary characterization methods allow for fundamental insights into aspects such as size-property relationships or the impact of crystal and surface composition on the optical properties. The choice of reactor type in synthesis and antisolvent during purification are evaluated and mechanistic conclusions are drawn. The successful transfer of the batch synthesis procedure to continuous flow reactors shows the importance of heat transfer in the heat-up synthesis and allows for conclusions on particle formation. It opens promising options for a future continuous production of QDs with well-defined disperse properties and a simplified purification.
To conclude, the findings attest the existence of common grounds for the process and product engineering of both toxic and non-toxic chalcogenide QDs. The fundamental rules most likely apply for various classes of non-toxic QDs. Only by elucidation of these rules for a variety of QD systems, the production and market launch of high quality non-toxic QDs will succeed. Based on the findings of this thesis and the current state of knowledge, a general process scheme for production of QD formulations is developed dividing the process chain into (1) elementary unit operations, (2) unit operations which shall be avoided with future developments and (3) those which can be added optionally whenever necessary.

Kristalline Partikel aus halbleitenden Materialien im Größenbereich weniger Nanometer, die sogenannten Quantenpunkte (engl. ‚quantum dot‘, QD), haben aufgrund ihrer größen-abhängigen Eigenschaften das Interesse sowohl der Natur- und Ingenieurwissenschaften als auch der Industrie geweckt. Nach Jahren intensiver Forschung wurden 2013 erste auf kadmium- und bleihaltigen QDs basierende Bildschirme vorgestellt. Angesichts der Toxizität dieser Materialien und verschärfter Sicherheitsregularien ist für den wirtschaftlichen Erfolg der QD-Technologie jedoch die Erforschung nicht-toxischer Materialsysteme mit gezielt ansteuerbaren Eigenschaften und hoher Qualität erforderlich. Die Forschung auf diesem Gebiet warf in den letzten Jahren große Fragen auf, da eine direkte Übertragung der an den toxischen Chalkogeniden gewonnenen Erkenntnisse auf die ungiftigen nicht möglich war. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit nicht toxischen Chalkogenid QDs und untersucht das Wechselspiel zwischen Prozessführung und Produkteigenschaften. Als Fallbeispiele dienen dabei das ternäre Material CuInS2 und das verwandte CuInS2-ZnS als Kern-Schalepartikel. Durch die Verwendung zahlreicher komplementärer Charakterisierungsmethoden werden grundlegende Erkenntnisse zu Aspekten wie der Struktur-Eigenschaftsbeziehung oder dem Einfluss der Zusammensetzung auf die resultierenden Produkteigenschaften gewonnen. Die Optimierung sowohl der Synthese (bspw. durch Änderung der Zusammensetzung, aber auch durch Untersuchung des Reaktoreinflusses), als auch der post-synthetischen Prozessierung erlaubt schließlich die Reduzierung der Gesamtanzahl an Prozessschritten und somit der entstehenden Kosten – bei gleichzeitiger Verbesserung der dispersen Eigenschaften. Schlussfolgernd lässt sich festhalten, dass durchaus Gemeinsamkeiten zwischen Prozess-führung und fundamentalen Produkteigenschaften für toxische binäre und nicht-toxische ternäre QDs bestehen. Erst durch das grundlegende Verständnis für die Zusammenhänge zwischen Eigenschaftsbeziehungen und Prozessführung für eine Vielzahl alternativer Materialsysteme wird eine potentielle Markteinführung nicht-toxischer QDs in Zukunft ermöglicht. Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen wird am Ende der Arbeit eine Prozesskette zur Herstellung von QD-Formulierungen vorgestellt, welche unterscheidet zwischen (1) zwingend notwendigen Prozessschritten, (2) solchen, die vermieden werden sollten, und (3) optionalen Prozessschritten, die je nach Bedarf an den entsprechenden Punkten des Prozesses eingesetzt werden können.