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Dübendorf, St. Gallen und Thun - Forschende der Empa und der ETH Zürich haben neue Verfahren entwickelt, um Perowskit-Quantenpunkte zu schnelleren und effizienteren Strahlern zu machen, was ihre Helligkeit deutlich verbessert. Diese Innovationen sind sowohl für Bildschirmanwendungen als auch für Quantentechnologien von großer Bedeutung.
Quantenpunkte, vergleichbar mit künstlichen Atomen, sind winzige Halbleitermaterialien, die Licht einer spezifischen Farbe oder sogar einzelne Photonen emittieren können, was für Quantentechnologien von entscheidender Bedeutung ist. Die Entdecker dieser Technologie, Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Aleksey Yekimov, wurden letztes Jahr mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet.
Perowskit-Quantenpunkte, die erstmals 2014 von Forschenden um Maksym Kovalenko an der ETH Zürich und der Empa hergestellt wurden, haben in den letzten Jahren besondere Aufmerksamkeit erregt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Quantenpunkten können Perowskit-Quantenpunkte leicht in Flüssigkeiten dispergiert werden, was ihre Verarbeitung vereinfacht. Sie leuchten auch heller als viele andere Quantenpunkte und sind kostengünstiger herzustellen, was sie für Bildschirmanwendungen attraktiv macht.
Um die Helligkeit von Perowskit-Quantenpunkten weiter zu verbessern, haben Kovalenkos Team und ihre KollegInnen in der Ukraine und den USA neue chemische und quantenmechanische Verfahren angewendet. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in zwei Artikeln in "Nature" veröffentlicht.
Eine Herausforderung bei Perowskit-Quantenpunkten sind "unglückliche" Atome an ihrer Oberfläche, die das Gleichgewicht der Ladungsträger im Inneren stören und dazu führen können, dass der Quantenpunkt intermittierend leuchtet.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Forschenden maßgeschneiderte Moleküle entwickelt, sogenannte Phospholipide, die eine Schutzschicht um den Quantenpunkt bilden. Diese Moleküle stabilisieren nicht nur die Oberfläche der Quantenpunkte, sondern verbessern auch ihre strukturelle Stabilität und ermöglichen die Herstellung von Dispersionen in organischen Lösungsmitteln.
Darüber hinaus konnten die Forschenden die Rekombinationsgeschwindigkeit der Quantenpunkte erhöhen, indem sie quantenmechanische Effekte nutzten. Durch die kohärente Kopplung von Exzitonen im gesamten Volumen des Quantenpunkts konnten sie den Superradianz-Effekt erzielen, der die Helligkeit der Quantenpunkte weiter steigert, ohne die Fähigkeit zur Emission einzelner Photonen zu beeinträchtigen.
Die optimierten Perowskit-Quantenpunkte haben Anwendungspotenzial nicht nur in Bildschirmen, sondern auch als lichtaktivierte Katalysatoren in der organischen Chemie. Diese und weitere Anwendungen werden im Rahmen des nationalen Forschungsschwerpunkts "NCCR Catalysis" erforscht.
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Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt
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