Extrem helle und schnelle Lichtemission

  • 12. January 2018

Wahrscheinlichster angeregter Zustand von Cäsium-Blei-Halogenid-Quanten­punkten ist nicht dunkel.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat eine Erklärung dafür gefunden, warum eine in den letzten Jahren intensiv unter­suchte Klasse von Nano­kristallen in so hellen Farben leuchtet. Die Nano­kristalle bestehen aus Cäsium-Blei-Halogenid-Verbin­dungen mit einer Perowskit-Kristall­struktur. Vor drei Jahren gelang es Maksym Kovalenko von der ETH Zürich, aus diesem Halb­leiter­material Nano­kristalle – oder Quanten­punkte – herzu­stellen. „Diese winzigen Kristalle erwiesen sich als extrem helle und schnell emit­tie­rende Licht­quellen, heller und schneller als jede andere bisher unter­suchte Art von Quanten­punkten“, sagt Kovalenko. Indem er die chemische Zusammen­setzung sowie die Größe der Nano­partikel 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.

Quantenpunkt

Abb.: Eine Probe mit mehreren grün leuch­ten­den Perowskit-Quanten­punkten, die von einem blauen Laser ange­regt werden. (Bild: T. Stöferle, IBM Research)

In ihrer jüngsten Studie untersuchte das internationale Forscher­team diese Nano­kristalle nun einzeln und äußerst detail­liert. Dabei konnten die Wissen­schaftler bestä­tigen, dass die Nano­kristalle Licht extrem schnell nach ihrer Anre­gung emit­tieren. Bisher unter­suchte Quanten­punkte emit­tieren Licht bei Raum­tempe­ratur typischer­weise etwa zwanzig Nano­sekunden, nachdem sie ange­regt werden. Das ist bereits sehr schnell. „Cäsium-Blei-Halogenid-Quanten­punkte emit­tieren Licht bei Raum­tempe­ratur bereits nach nur einer Nano­sekunde“, erklärt Michael Becker von der ETH Zürich.

Um zu verstehen, warum die Cäsium-Blei-Halogenid-Quanten­punkte nicht nur schnell, sondern auch sehr hell sind, muss man in die Welt der ein­zelnen Atome, Photonen und Elek­tronen ein­tauchen. „Halb­leiter-Nano­kristalle kann man mit einem Photon so anregen, dass ein Elektron seinen ange­stammten Platz im Kristall­gitter verlässt und dort eine Lücke hinter­lässt“, erklärt David Norris von der ETH Zürich. 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 „dunkler Zustand“ genannt wird. „In einem solchen dunklen Zustand kann das Elek­tronen-Loch-Paar nicht direkt in den Grund­zustand zurück­fallen. Die Licht­emission wird daher unter­drückt, sie erfolgt lang­samer und ist weniger hell», sagt Rainer Mahrt von IBM Research.

Wie die Forscher jetzt zeigen konnten, unter­scheiden sich die Cäsium-Blei-Halogenid-Quanten­punkte von anderen Quanten­punkten: 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. „Das ist der Grund, warum sie so hell leuchten“, sagt Norris. Zu diesem Schluss kamen die Forscher anhand ihrer neuen Experi­mental­daten und mit­hilfe von theo­re­tischen Über­legungen.

Weil die untersuchten Cäsium-Blei-Halogenid-Quanten­punkte nicht nur hell sind, sondern auch günstig herzu­stellen, kommen sie für den Einsatz in Bild­schirmen infrage. Mehrere Firmen, sowohl in der Schweiz als auch welt­weit, leisten Ent­wick­lungs­arbeit in diesem Bereich. „Weil die Quanten­punkte Photonen sehr schnell emit­tieren können, sind sie außerdem inte­res­sant für die optische Daten­kommu­ni­ka­tion inner­halb von Rechen­zentren und Super­computern. Schnelle, kleine und effi­ziente Kompo­nenten sind dort besonders wichtig“, sagt Mahrt. Eine weitere künftige Anwen­dung wäre die optische Simu­la­tion von Quanten­systemen, welche in der Grund­lagen­forschung und der Material­wissen­schaft bedeutend ist. Norris schließ­lich ist daran inte­res­siert, das neue Wissen für die Ent­wick­lung neuer Materi­alien zu nutzen: „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.“

EMPA / RK

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