Extrem helle und schnelle Lichtemission

Ein internationales Team von Wissenschaftlern der ETH Z¨¹rich, von IBM Research Zurich, der Empa und von vier amerikanischen Forschungseinrichtungen hat die Erkl?rung gefunden, warum eine in den letzten Jahren intensiv untersuchte Klasse von Nanokristallen in so unglaublich hellen Farben leuchtet. Bei den Nanokristallen handelt es um solche aus C?sium-Blei-Halogenid-Verbindungen, die in einer sogenannten Perowskit-Gitterstruktur angeordnet sind.

Vor drei Jahren ist es Maksym Kovalenko, Professor an der ETH Z¨¹rich und der Empa, gelungen, aus diesem Halbleitermaterial Nanokristalle ¨C oder Quantenpunkte, wie sie auch genannt werden ¨C 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 Zusammensetzung der chemischen Elemente und die Nanopartikelgr?sse variierte, gelang es ihm ausserdem, unterschiedliche Nanokristalle herzustellen, die in den Farben des gesamten sichtbaren Spektrums leuchten. Diese Quantenpunkte werden daher auch als Komponenten zuk¨¹nftiger Leuchtdioden und Bildschirme gehandelt.

In einer in der j¨¹ngsten Ausgabe der Fachzeitschrift externe Seite Nature ver?ffentlichten Studie untersuchte das internationale Forscherteam diese Nanokristalle nun einzeln und ?usserst detailliert. Dabei konnten die Wissenschaftler best?tigen, dass die Nanokristalle extrem schnell Licht emittieren. Bisher untersuchte Quantenpunkte senden bei Raumtemperatur typischerweise rund 20 Nanosekunden, nachdem sie angeregt werden, Licht aus. Das ist bereits sehr schnell. ?C?sium-Blei-Halogenid-Quantenpunkte hingegen emittieren Licht bei Raumtemperatur nach nur einer Nanosekunde?, erkl?rt Michael Becker, der Erstautor der Studie. Er ist Doktorand der ETH Z¨¹rich und f¨¹hrt seine Doktorarbeit bei IBM Research durch.

Elektronen-Loch-Paar in angeregtem Zustand

Um zu verstehen, warum die C?sium-Blei-Halogenid-Quantenpunkte nicht nur schnell, sondern auch sehr hell sind, muss man in die Welt der einzelnen Atome, Lichtteilchen (Photonen) und Elektronen eintauchen: ?Halbleiter-Nanokristalle kann man mit einem Photon so anregen, dass ein Elektron seinen angestammten Platz im Kristallgitter verl?sst und dort eine L¨¹cke hinterl?sst?, erkl?rt David Norris, Professor f¨¹r Material-Engineering an der ETH Z¨¹rich. Es entsteht ein Elektronen-Loch-Paar, das sich in einem angeregten Energiezustand befindet. F?llt das Elektronen-Loch-Paar in seinen energetischen Grundzustand zur¨¹ck, wird dabei Licht emittiert.

Unter bestimmten Bedingungen sind verschiedene Zust?nde angeregter Energie m?glich, wobei in vielen Materialien der wahrscheinlichste davon ein ?dunkler Zustand? genannt wird. ?In einem solchen dunklen Zustand kann das Elektronen-Loch-Paar nicht direkt in den Grundzustand zur¨¹ckfallen. Die Lichtemission wird daher unterdr¨¹ckt, sie erfolgt langsamer und ist weniger hell?, sagt Rainer Mahrt, Wissenschaftler bei IBM Research.

Nicht im dunklen Zustand

Wie die Forschenden nun zeigen konnten, unterscheiden sich die C?sium-Blei-Halogenid-Quantenpunkte von anderen Quantenpunkten: Bei den C?sium-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 k?nnen. ?Dies ist der Grund, warum sie so hell leuchten?, sagt Norris.

Zu diesem Schluss kamen die Forschenden anhand ihrer neuen Experimentaldaten und mithilfe von theoretischen ?berlegungen, bei denen Alexander Efros federf¨¹hrend war, ein theoretischer Physiker am Naval Research Laboratory in Washington. Er ist ein Pionier der Quantenpunkt-Forschung und fand vor 35 Jahren gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern heraus, wie traditionelle Halbleiter-Nanokristalle funktionieren.

Hervorragend f¨¹r Daten¨¹bertragung

Weil die untersuchten C?sium-Blei-Halogenid-Quantenpunkte nicht nur hell sind, sondern auch g¨¹nstig herzustellen, kommen sie f¨¹r 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 k?nnen, sind sie ausserdem interessant f¨¹r die optische Datenkommunikation innerhalb von Rechenzentren und Supercomputern. Schnelle, kleine und effiziente Komponenten sind dort besonders wichtig?, sagt Mahrt. Eine weitere k¨¹nftige Anwendung w?re die optische Simulation von Quantensystemen, welche in der Grundlagenforschung und der Materialwissenschaft bedeutend ist.

ETH-Professor Norris schliesslich ist daran interessiert, das neue Wissen f¨¹r die Entwicklung neuer Materialien zu nutzen. ?Da wir nun verstehen, warum diese Quantenpunkte so hell sind, k?nnen wir auch dar¨¹ber nachdenken, andere Materialien mit ?hnlichen oder noch besseren Eigenschaften zu entwickeln?, sagt er.