Extrem helle und schnelle Lichtemission

Elektronen-Loch-Paar in angeregtem Zustand

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, Lichtteilchen (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, Professor für Material-Engineering an 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.
Eine Probe mit mehreren grün leuchtenden Perowskit-Quantenpunkten, die von einem blauen Laser angeregt werden
Quelle: IBM Research / Thilo Stöferle
Unter bestimmten Bedingungen sind verschiedene Zustände angeregter Energie möglich, 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 zurückfallen. Die Lichtemission wird daher unterdrückt, 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 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. «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 Überlegungen, bei denen Alexander Efros federführend 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 für Datenübertragung

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.
ETH-Professor Norris ist schliesslich 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», sagt er.
Der Bericht wurde von Fabio Bergamin verfasst und ist ursprünglich bei ETH-News erschienen.



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