Lumineszenz bezeichnet das Ergebnis eines Prozesses, bei dem ein Objekt Licht einer Wellenlänge absorbiert und es dann bei einer anderen Wellenlänge wieder aussendet. Durch Lichtabsorption werden Elektronen im Grundzustand des Materials in einen höheren Energiezustand angeregt. Nach einer für jeden angeregten Zustand charakteristischen Zeitspanne zerfallen die Elektronen in niedrigere Energiezustände, einschließlich des Grundzustands, und emittieren Licht. Das Phänomen wird in einer Vielzahl technologischer Anwendungen genutzt, bei denen hocheffiziente und reproduzierbare emittierende Geräte zum Einsatz kommen, die leicht miniaturisiert werden können.
Zu den Materialien mit der höchsten Lumineszenzeffizienz zählen Quantenpunkte (QDs), die derzeit in hochauflösenden Displays, LEDs, Solarmodulen und Sensoren verschiedener Art verwendet werden, beispielsweise in solchen, die für die medizinische Präzisionsbildgebung eingesetzt werden. Die Funktionalisierung der Oberfläche von QDs mit verschiedenen Molekültypen ermöglicht die Interaktion mit Zellstrukturen oder anderen interessanten Molekülen zum Zwecke der Untersuchung biologischer Prozesse auf molekularer Ebene.
QDs sind Halbleiternanopartikel, deren Emissionseigenschaften aufgrund des Phänomens der Quantenbeschränkung direkt mit der Punktgröße verknüpft sind. Aus diesem Grund ermöglicht die Überwachung und Kontrolle des Kristallwachstums während der Synthese von QDs in Lösung eine intelligente Planung der gewünschten Lumineszenz.
In einem Artikel veröffentlicht im Journal Wissenschaftliche BerichteForscher unter der Leitung von Andrea de Camargo, Professor am São Carlos Physics Institute (IFSC-USP) der Universität São Paulo in Brasilien, und Mitarbeiter der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) präsentieren einen neuartigen Ansatz zur Überwachung der QD-Bildung.
„Wir verwendeten Cadmiumtellurid [CdTe] als Modellsystem und kontrolliertes Nanopartikelwachstum in einer erhitzten wässrigen Lösung durch In-situ-Lumineszenzanalyse“, sagt Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, Doktorand am IFSC-USP und Erstautor des Artikels.
Mithilfe dieser Technik können Wissenschaftler in Echtzeit verfolgen, was in der Lösung geschieht, ohne die Quantenpunktsynthese zu beeinträchtigen. So können sie das Kristallwachstum anhand der Farbe (Wellenlänge) des emittierten Lichts überwachen.
„QDs werden durch Mischen von Cadmium- (Cd2+) und Tellur- (Te2-) Vorläuferlösungen in Gegenwart eines Größenkontrollreagenzes synthetisiert. Die Temperatur wird erhöht und die chemische Reaktion beginnt über die Clusterbildung von Tellurid- und Cadmiumionen. Im weiteren Verlauf der Reaktion schließen sich zusätzliche CdTe-Einheiten in einem als Selbstassemblierung bekannten Prozess kugelförmig dem Cluster an. Die Größe der Nanopartikel kann dank einer schnellen und präzisen Überwachung der Emissionsfrequenzen geschätzt werden.
„QDs aus CdTe mit einem Durchmesser von 1-2 Nanometern [nm] emittieren im blauen und grünen Bereich des sichtbaren Spektrums. Größere QDs mit einer Größe von 4-5 nm emittieren bei niedrigeren Frequenzen, nämlich gelb bzw. rot“, sagt Leonnam Gotardo Merizio, Postdoktorand am IFSC-USP und Zweitautor des Artikels.
Laut Costa bietet die neue Methode gegenüber der herkömmlichen Synthesestrategie mehrere Vorteile.
„Bei der herkömmlichen Technik muss man kleine Proben der Lösung entnehmen, um die QD-Größe zu messen, aber bei der In-situ-Technik kann man das tun, während der Prozess läuft, ohne das Reaktionsmedium für die Probenentnahme stören zu müssen, sodass mehr Spektren pro Zeiteinheit gewonnen werden können, das Reaktionsvolumen nicht beeinträchtigt wird und unnötiger Abfall vermieden wird. Die Emissionsfarbe der betreffenden QDs kann daher viel präziser kontrolliert werden.
„Die Ausrüstung, die das Anregungslicht über Glasfaser mit der entsprechenden Wellenlänge liefert, sammelt auch das emittierte Licht und bestimmt seine charakteristische Frequenz im RGB [red, green and blue] Farbsystem. Es ist erwähnenswert, dass die Steuerung des RGB-Systems für die Bilderzeugung in mehreren Leuchtgeräten wie Monitoren und Smartphone-Displays relevant ist“, erklärt er.
Auf diese Weise synthetisierte QDs, fügte er hinzu, wurden auch mittels Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie, Ultraviolett-sichtbarer Absorptionsspektroskopie und Infrarot-Visualisierungsspektroskopie charakterisiert.
Die Existenz von QDs wurde 1937 von Herbert Fröhlich (1905-91), einem in Deutschland geborenen britischen Physiker, theoretisch vorhergesagt. In den 1980er Jahren beobachteten Alexey Ekimov (geb. 1945) in der damaligen Sowjetunion und Louis Brus (geb. 1943) in den USA erstmals unabhängig voneinander die Quantenbeschränkung in Halbleiternanopartikeln. In den 1990er Jahren entwickelte der französisch-amerikanische Physiker Moungi Bawendi (geb. 1961) deutlich verbesserte Methoden zur QD-Synthese. Im Jahr 2023 erhielten Ekimov, Brus und Bawendi für ihre Arbeiten auf diesem Gebiet den Nobelpreis für Chemie.
„Durch die Quantenbeschränkung können Quantenpunkte Elektronen in drei Dimensionen beschränken, wodurch Quantenphänomene deutlicher werden und sie als Zwischenmaterialien zwischen Atomen, Molekülen und größeren kristallinen Anordnungen charakterisiert werden“, sagt Costa.
„Es wurden bereits viele Arbeiten über die Synthese von QDs aus CdTe veröffentlicht. Der Hauptbeitrag unserer Studie betrifft die Entwicklung und Anwendung eines äußerst vielseitigen In-situ-Lumineszenzmesssystems. Die Methode ermöglichte es uns, die Größe der kristallinen Nanopartikel abzuleiten und die Bildung von Zwischenverbindungen in den chemischen Reaktionen durch In-situ-Kombination mit anderen Techniken zu charakterisieren, die eine chemische und/oder strukturelle Analyse ermöglichen. [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Diese Weiterentwicklung der Synthese optimiert die chemische Ausbeute und spart Energie“, sagt Camargo.
Mehr Informationen:
PFGM da Costa et al, Echtzeitüberwachung des Wachstums von CdTe-Quantenpunkten in wässriger Lösung, Wissenschaftliche Berichte (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8