Ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Dr. Felix Deschler am Institut für Physikalische Chemie der Universität Heidelberg hat einen Halbleiter entwickelt, der effizient Licht erzeugt und diesem Licht gleichzeitig einen bestimmten Spin verleiht. Den Forschern zufolge verfügt das sogenannte chirale Perowskit-Material über großes technologisches Potenzial, das für Anwendungen in der Optoelektronik, Telekommunikation und Informationsverarbeitung genutzt werden kann.
Helles, zirkular polarisiertes Licht zu erzeugen, ist seit langem ein Ziel der Materialwissenschaften. Es gilt als äußerst schwierig, eine ausgeprägte Chiralität – die die Rotation des Lichts in eine bestimmte Richtung beschreibt – sowie eine hohe Photolumineszenz-Quanteneffizienz (PLQE) zu erreichen. Der PLQE-Wert drückt die Fähigkeit eines Materials aus, Licht zu emittieren. Anorganische Halbleiter können eine hohe Helligkeit emittieren, weisen jedoch normalerweise eine geringe Lichtpolarisation auf.
Im Gegensatz dazu weisen organische molekulare Halbleiter zwar eine hohe Polarisation auf, ihre Helligkeit wird jedoch häufig durch Verluste aufgrund dunkler Bedingungen begrenzt. „Bisher fehlte ein Material, das tatsächlich die hohe Lumineszenzquanteneffizienz anorganischer Halbleiter und die starke Chiralität organischer Molekülsysteme vereint“, berichtet Felix Deschler.
Um gleichzeitig die gewünschte Helligkeit und hohe Polarisation zu erreichen, entwickelte die Heidelberger Forschungsgruppe einen hybriden Metallhalogenid-Perowskit-Halbleiter mit Schichtstruktur. Als Hybridkomponente integrierten die Wissenschaftler ein maßgeschneidertes chirales organisches Molekül in die Perowskit-Struktur.
Durch die Verwendung eines kleinen aromatischen Moleküls mit einem präzise platzierten Halogenatom im aromatischen Ring entstanden neuartige chirale Perowskite mit der Strukturbezeichnung R/S-3BrMBA2PbI4. „Die Fähigkeit, die Struktur so dramatisch zu verändern und dennoch eine gute Materialleistung beizubehalten, unterstreicht die Fähigkeit von Perowskit-Materialien, Verzerrungen in der Kristallstruktur zu tolerieren“, erklärt Doktorand Shangpu Liu.
Aufgrund ihrer stark verzerrten Kristallstrukturen zeigen chirale 3BrMBA2PbI4-Perowskite bereits bei Raumtemperatur einen deutlich besseren Grad an zirkular polarisierter Lumineszenz als andere Materialien. Mithilfe hochentwickelter ultraschneller Laserspektroskopiemessungen konnten die Forscher die Prozesse hinter der Entstehung dieses besonderen Lichts entschlüsseln. Die gefundenen Werte für Polarisation und Helligkeit übertreffen die für bisher verwendete chirale Halbleiter bekannten Werte.
Die Forscher konnten zudem zeigen, dass die neuartigen Materialien äußerst vielversprechend für Anwendungen sind, die auf zirkular polarisiertem Licht basieren. Sie implementierten die Materialien in Lichtdetektoren, die die Chiralität des einfallenden Lichts erfassen und differenzieren können. Darüber hinaus entwickelte das Forschungsteam Leuchtdioden, mit denen aus Strom Licht erzeugt werden kann.
Die Forschung wurde im Rahmen des ERC Starting Grant „Twisted Perovskites – Control of Spin and Chirality in Highly-luminescent Metal-halide Perovskites“ unter der Leitung von Prof. Deschler durchgeführt. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
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Shangpu Liu et al., Helle zirkular polarisierte Photolumineszenz in chiralen geschichteten Hybrid-Bleihalogenid-Perowskiten, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh5083