Perowskit-Quantenpunkte Verbesserte Herstellung für Lichttechnik-Material der Zukunft

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Perowskit-Quantenpunkte gelten als Versprechen für moderne Lichttechnologien. Sie sind aber in Lösung nicht sehr stabil und ihr Wachstum ist schwer zu kontrollieren. Forschenden der Ludwig-Maximilians-Universität München ist es nun gelungen, diese zwei Probleme zu lösen.

Sie sind nicht nur wegen ihrer Farbigkeit schön anzusehen, sie haben auch handfeste Anwendungsgebiete: Perowskit-Quantenpunkte gelten als vielversprechende Materialien für LEDs, für die Photokatalyse und für zukünftige Quantenlichtquellen. Sie sind Halbleiter-Kristalle, die nur wenige Nanometer groß sind und 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.

Zusammen mit seinem Team hat Akkerman eine Strategie entwickelt, um diese Einschränkungen zu umgehen. Die Ergebnisse könnten neue Wege für die Verarbeitung und Anwendung der Materialien eröffnen. Darüber berichtet das Team in zwei wissenschaftlichen Artikeln.

Neue Ligandenchemie sorgt für Stabilisierung

Die Wissenschaftler nutzten so genannte 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.

Injektionstrategie steuert Wachstum der Quantenpunkte

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.

Originalpublikationen: Gahlot, K., Ederle, D., Stickel, L. S., Döblinger, M., & Akkerman, Q. A.: Unlocking subunit cell precision overgrowth in CsPbBr₃ quantum dots. Journal of the American Chemical Society 2026.

He, F., Stickel, L. S., Döblinger, M., & Akkerman, Q. A.: Polar opposites: Ligand-mediated polarity inversion for perovskite quantum dots with sub-nanometer ligand shells. ACS Energy Letters 2026.

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