München (OTS) – 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 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
