Quantenpunkte für Lichttechnologien der Zukunft

Perowskit-Quantenpunkte sind Halbleiter-Kristalle, die nur wenige Nanometer groß sind. Sie bestehen aus Perowskit-Materialien, meist aus einer Kombination von Metallen und Halogeniden. Aufgrund ihrer extrem kleinen Dimension zeigen sie Quanteneffekte, die ihre optischen und elektronischen Eigenschaften stark verändern. Deshalb können sie Licht sehr effizient absorbieren und wieder emittieren.

Zwar lassen sich Perowskit-Quantenpunkte vergleichsweise einfach in Lösung herstellen. Ihre weichen ionischen Kristallgitter machen sie jedoch empfindlich gegenüber vielen Lösungsmitteln. Besonders problematisch sind polare Lösungsmittel wie Alkohole, in denen Quantenpunkte oft recht schnell zerfallen.

„Eine Herausforderung war bislang, die Quantenpunkte stabil zu halten, ohne ihre strukturellen und optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen“, sagt Quinten Akkerman vom Nano-Institut München und von der Fakultät für Physik der LMU. Zusammen mit seinem Team hat er eine Strategie entwickelt, um diese Einschränkungen zu umgehen.

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Neue Methode zur vollständigen Kontrolle von Quantenpunkten

Dieter Bimberg • 9/2020 • Seite 39

Von Quantenpunkten zu Quantentechnologien

Die Forschenden nutzten sogenannte Gemini-Liganden, die eine stabile Molekülhülle um die Quantenpunkte bilden. Sie binden mit ihren geladenen Gruppen an die Oberfläche der Quantenpunkte, während ihre Struktur gleichzeitig eine polare Außenfläche bildet. Dadurch lassen sich die Quantenpunkte stabil in polaren Lösungsmitteln wie Ethanol dispergieren. Die Ligandenschicht bleibt mit rund 0,7 nm außergewöhnlich dünn, sodass die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte erhalten bleiben.

Die stabilisierten Quantenpunkte zeigen weiterhin hohe Photolumineszenz-Quantenausbeuten und bleiben über lange Zeit in Lösung erhalten. Gleichzeitig können sie nun in „grünen“ Lösungsmitteln verarbeitet werden – ein Vorteil für zukünftige Herstellungsprozesse in der Optoelektronik.

In einer zweiten Studie widmete sich das Team der Frage, wie sich Größe und Struktur von Pe­rows­kit-Quan­ten­punk­ten präzise kontrollieren lassen. Diese Eigenschaften bestimmen, welche Wellenlänge und Intensität die Quantenpunkte emittieren.

Akkermans Team entwickelte eine Methode, bei der die Bildung neuer Kristallkeime gezielt unterdrückt wird. Stattdessen wachsen bereits vorhandene Quantenpunkte kontrolliert weiter. Möglich wird dies durch die präzise Abstimmung der Reaktionsbedingungen und der eingesetzten Liganden, die die Reaktionskinetik beeinflussen.

Mit einer mehrstufigen Injektionsstrategie konnten die Forschenden das Wachstum der Quantenpunkte über längere Zeiträume steuern. Dabei gelang eine Kontrolle mit Sub-unit-cell-Genau­ig­keit – also mit einer Präzision, die kleiner ist als eine einzelne Kristallgitterzelle.

Die so erzeugten Quantenpunkte weisen eine besonders enge Größenverteilung und stabile optische Eigenschaften auf. Solche kontrollierten Strukturen sind eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz in LEDs oder zukünftigen Quan­ten­licht-Anwen­dung­en.

„Zusammen liefern die beiden Studien neue Ansätze, um Herausforderungen bei Perowskit-Quantenpunkten zu lösen“, sagt Akkerman. „Während die neue Ligandenchemie ihre Verarbeitung und Stabilität verbessert, ermöglicht die präzise Kontrolle des Wachstums eine gezielte Einstellung ihrer optischen Eigenschaften.“ Das eröffne neue Möglichkeiten für Anwendungen in der Optoelektronik und in zukünftigen Quantenlichttechnologien. [LMU / dre]