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München (ots) -
- LMU-Forschende verbessern Stabilität und Wachstum von Perowskit-Quantenpunkten
- vielversprechende Materialien vielfältige technische Anwendungsbereiche.
- In zwei neuen Studien zeigt das Team Strategien auf, um die Quantenpunkte
stabiler zu machen und präziser zu kontrollieren.
- Die Ergebnisse liefern neue Möglichkeiten für Anwendungen in der
Optoelektronik und in zukünftigen Quantenlichttechnologien.
Perowskit-Quantenpunkte gelten als vielversprechende Materialien für LEDs, für
die Photokatalyse und für zukünftige Quantenlichtquellen. Forschenden der
Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) ist es nun gelungen, zwei wichtige
Hürden im Umgang mit diesen Quantenpunkten zu meistern: ihre Stabilität in
Lösung sowie die präzise Kontrolle ihres Wachstums. Die Ergebnisse könnten neue
Wege für die Verarbeitung und Anwendung der Materialien eröffnen. Darüber
berichtet das Team im Journal of the American Chemical Society und in den ACS
Energy Letters .
Quantenpunkte zerfallen in polaren Lösungsmitteln rasch
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 Dr. Quinten
Akkerman (https://www.phog.physik.lmu.de/people/project-leaders/quinten_akkerman
/index.html) 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.
Stabilisierung in Lösung - dank neuer Ligandenchemie
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler 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 Nanometern 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 sogenannten grünen Lösungsmitteln
verarbeitet werden - ein Vorteil für zukünftige Herstellungsprozesse in der
Optoelektronik.
Wachstum der Quantenpunkte mit atomarer Präzision
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 Farbe 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.
Perspektiven für Optoelektronik und Quantenlicht
"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.
Publikation
Gahlot, K., Ederle, D., Stickel, L. S., Döblinger, M., & Akkerman, Q. A. (2026).
Unlocking sub-unit cell precision overgrowth in CsPbBra quantum dots. Journal of
the American Chemical Society. doi: https://doi.org/10.1021/jacs.5c23332
He, F., Stickel, L. S., Döblinger, M., & Akkerman, Q. A. (2026). Polar
opposites: Ligand-mediated polarity inversion for perovskite quantum dots with
sub-nanometer ligand shells. ACS Energy Letters. doi:
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c04073
Kontakt
Dr. Quinten Akkerman
Lehrstuhl für Photonik und Optoelektronik
Nano-Institut München und Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
E-Mail: mailto:q.akkerman@lmu.de
Pressekontakt:
Claudia Russo
Ludwig-Maximilians-Universität München
Leopoldstr. 3
80802 München
Phone: +49 (0) 89 2180-2706
E-Mail: mailto:Claudia.Russo@lmu.de
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OTS: Ludwig-Maximilians-Universität München
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