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Forschung & Entwicklung Quantenpunkte mit extrem heller und schneller Lichtemission

Quantenpunkten aus einer Cäsium-Blei-Halogenid-Verbindung mit einer Perowskit-Kristallstruktur sind sehr hell und können Licht in allen Farben emittieren. Nun wurden die Ursachen für diese Eigenschaften erforscht.

Vor drei Jahren ist es Maksym Kovalenko, Professor an der ETH Zürich und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), gelungen, Quantenpunkte aus einem Halbleitermaterial bestehend aus Cäsium-Blei-Halogenid herzustellen, die sich als extrem helle und schnell emittierende Lichtquellen, heller und schneller als jede andere bisher untersuchte Art von Quantenpunkten erwiesen. Indem er die Zusammensetzung der Cäsium-Blei-Halogenid-Verbindungen und deren Partikelgröße variierte, gelang es ihm außerdem, unterschiedliche Nanokristalle herzustellen, die in den Farben des gesamten sichtbaren Spektrums leuchten. Diese Quantenpunkte werden daher auch als Komponenten zukünftiger Leuchtdioden und Bildschirme gehandelt.

In einer nun veröffentlichten Studie untersuchte ein internationales Forscherteam diese Nanokristalle einzeln und äußerst detailliert. Dabei konnten die Wissenschaftler bestätigen, dass die Nanokristalle extrem schnell Licht emittieren. Bisher untersuchte Quantenpunkte senden bei Raumtemperatur typischerweise rund 20 Nanosekunden, nachdem sie angeregt werden, Licht aus. Cäsium-Blei-Halogenid-Quantenpunkte hingegen emittieren Licht bei Raumtemperatur nach nur einer Nanosekunde.

Halbleiter-Nanokristalle kann man mit einem Photon so anregen, dass ein Elektron seinen angestammten Platz im Kristallgitter verlässt und dort eine Lücke hinterlässt. Es entsteht ein Elektronen-Loch-Paar, das sich in einem angeregten Energiezustand befindet. Fällt das Elektronen-Loch-Paar in seinen energetischen Grundzustand zurück, wird dabei Licht emittiert. Unter bestimmten Bedingungen sind verschiedene Zustände angeregter Energie möglich, wobei in vielen Materialien der wahrscheinlichste davon ein „dunkler Zustand“ genannt wird. In einem solchen dunklen Zustand könne das Elektronen-Loch-Paar nicht direkt in den Grundzustand zurückfallen. Die Lichtemission werde daher unterdrückt, sie erfolge langsamer und sei weniger hell, sagt Rainer Mahrt, Wissenschaftler bei IBM Research.

Bei den Cäsium-Blei-Halogenid-Quantenpunkten ist der wahrscheinlichste angeregte Energiezustand kein dunkler Zustand. Vielmehr befinden sich angeregte Elektronen-Loch-Paare in einem Zustand, aus dem sie sofort Licht emittieren können. Dies ist der Grund, warum sie so hell leuchten. Zu diesem Schluss kamen die Forscher anhand ihrer neuen Experimentaldaten und mithilfe von theoretischen Überlegungen.

Die untersuchten Cäsium-Blei-Halogenid-Quantenpunkte sind nicht nur hell, sondern auch günstig herzustellen und kommen somit für den Einsatz in Bildschirmen infrage. Da die Quantenpunkte Photonen sehr schnell emittieren können, sind sie außerdem interessant für die optische Datenkommunikation. Eine weitere künftige Anwendung wäre die optische Simulation von Quantensystemen, welche in der Grundlagenforschung und der Materialwissenschaft bedeutend ist. „Da wir nun verstehen, warum diese Quantenpunkte so hell sind, können wir auch darüber nachdenken, andere Materialen mit ähnlichen oder noch besseren Eigenschaften zu entwickeln“, sagt ETH-Professor David J. Norris.

Originalveröffentlichung:

[M. A. Becker et al., Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites, Nature 553 (2018), DOI: 10.1038/nature25147]

www.ethz.ch

www.empa.ch

www.zurich.ibm.com

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