Gering-toxische Quantenpunkte mit modularer Lichtemission im Infrarot-Bereich

• Antragsteller: Dr. Vladimir Lesnyak
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326707061

Absicht:1) Herstellung von gering toxischen kolloidalen Kupfer-Chalkogenid basierten Quantenpunkten (QDs) mit variierbarer Größe, Komposition, Form und Photolumineszenz (PL), die sich über das gesamte infrarote Spektrum (700-2500 nm) mit hohen Quantenausbeuten bis zu 80 % ausdehnt; 2) Entwicklung von hybriden PL lokalisierten Oberflächenplasmonresonanzsystemen (LSPR) basierend auf den QDs sowie den plasmonischen Kupfer-Chalkogenid-Nanokristallen (NCs) mit konrtollierbaren Exciton-Dynamiken. Motivation: während der sichtbare Bereich vollständig durch verschiedene QDs abgedeckt ist, die weitestgehend effiziente Lichtabsorption/-emission zeigen, werden die NIR aktiven Materialien durch die Elemente (A = S, Se, Te), InAs, Cd3P2, CdHgTe, und HgTe limitiert. Da all diese Komponenten toxische Elemente enthalten, weisen ihre technologischen Anwendungen starke Restriktionen auf. Eine geeignete Alternative zeigen die Kupfer-Chalkogenid-basierten ternären und quartenären QDs, wie z.B. CuIn(Zn)S(Se), auf. Soweit ist der Bereich der Lichtabsorption/-emission der QDs, z.B. CuInS(Se) QDs, bis auf 1200 nm begrenzt und eine Fluoreszenz über diesen Punkt hinaus konnte noch nicht entwickelt werden. Weiterhin zeigen die niedrig toxischen QDs komplexe Exciton-Dynamiken auf, die zusätzlich verwendet werden können, um die photophysikalischen Eigenschaften der QDs konkret einzustellen. Dabei spielen die Wechselwirkungen zwischen dem Exciton, das sich in den QDs bildet, mit dem elektromagnetischem Feld, generiert in Materialien, die einem starken LSPR ausgesetzt sind, eine große Rolle. Diese Kupplung kann sowohl zu einer PL-Löschung als auch einer PL-Verbesserung führen. Innerhalb des sichtbaren Bereiches wurden jene Wechselbeziehungen bereits untersucht, bleiben allerdings für den NIR-Spektralbereich noch unbekannt. Zielstellung: Entwicklung einer neuen Synthesestrategie zur Herstellung von CuIn(Zn)Se(Te) QDs, die auf Kationaustauschreaktionen basieren; Verbesserung der Stabilität sowie optischen Eigenschaften durch eine ZnS- oder ZnSe-Beschalung; Herstellung von Hybridstrukturen, die NIR-PL-QDs mit NIR-plasmonischen Kupfer-Chalkogenid-NCs kontrollierten Abstandes kombinieren; Untersuchung der Wechselbeziehungen zwischen dem Exciton und dem Plasmon im NIR-Bereich, was zu einer PL-Verbesserung und Beschleunigung der Excitonrekombination führen soll. Umsetzung: das Arbeitsprogramm des Projektes ist in vier Bereiche unterteilt, die jeweils detalierte Aufgaben enthalten und somit zwei Doktorantenstellen erfordern. Potentieller Einfluss: innovative optoelektronische Materialien und Strukturen mit variierbaren photophysikalischen Eigenschaften, die entwickelt werden, sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in Bereichen der biologischen - und multiphoton-Bildgebung, als auch in Bereichen der Fluoreszenz-Lebenszeit-Abbildungsmikroskopie, der Photovoltaik-, Nanophotonik-, Solarzellen- und Sensortechnik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen