News: Leuchtkriställchen mit Schale
Leuchtende Kriställchen im Nano-Maßstab sind begehrt, da sie unter anderem als aktive Komponenten in Bildschirmen, LEDs und optischen Verstärkern sowie als Marker für die Untersuchung von Biomolekülen dienen können. Deutsche Forscher haben nun ein grün lumineszierendes Nanomaterial entwickelt, das besonders intensiv leuchtet.
Die Nanotechnologie liegt im Trend. Sie kann Lacke kratzfest, Sonnenschutz effektiver und Computer noch schneller machen. Auch als Leuchtstoffe können sich kleinste Moleküle bewähren. Der Trick dabei: Lumineszenz. Sobald einem Leuchtstoff Energie zugeführt wird – etwa durch elektrische Felder, Elektronenstrahlen oder UV-Licht – gelangt ein Elektron des Leuchtstoffs in eine energetisch höher liegende Bahn. Wenn das Elektron später zurückfällt, gibt es seine Energie in Form von Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich wieder ab.
Nanokristalle haben nun gegenüber makrokristallinen Leuchtstoffen einen großen Vorteil: Sie sind so winzig, dass sie sichtbares Licht nicht streuen. Ein durchsichtiger Lack oder Kunststoff als umgebendes Material wird durch die Kriställchen nicht getrübt.
Jedoch gibt es einen gravierenden Nachteil: Da die Anregungsenergie innerhalb solcher Kristalle von Atom zu Atom weitergereicht werden kann, erreicht sie bei sehr kleinen Partikeln rasch die Oberfläche, wo sie strahlungslos auf die Matrix übertragen wird – die Lumineszenz wird zum Großteil gelöscht.
Ein Forscherteam von HASYLAB/DESY und der Universität Hamburg suchte nun nach einer Methode, um diese Energieverluste bei nanokristallinen Lanthanoid-Materialien zu verringern und so deren Lumineszenz zu intensivieren. Ausgangsmaterial waren etwa fünf Nanometer messende Kriställchen eines Cer-Phosphats, in das Terbium-Ionen eingebaut waren, und die bei Anregung mit UV-Licht grün leuchten.
Auf die Partikel kristallisierten die Wissenschaftler um Markus Haase eine Schale aus Lanthan-Phosphat auf. Diese Verbindung hat ein praktisch identisches Kristallgitter wie Cer-Phosphat, sodass beide Schichten übergangslos miteinander verwachsen.
"Während die Anregungsenergie eines Cer-Atoms zum benachbarten Cer-Atom hüpfen kann, funktioniert dieser Energietransport zwischen Cer und Lanthan nicht," erklärt Haase. "Die Lanthan-Phosphat-Schicht wirkt deshalb als Sperre für den Energietransport an die Oberfläche der Kriställchen."
So gelang den Hamburger Forschern die Herstellung eines Materials, das mit einer Quantenausbeute von 70 Prozent grün leuchtet. Der größte Teil des eingestrahlten UV-Lichts wurde also in Lumineszenz umgewandelt. "Quantenausbeuten, die so nah am Wert der makrokristallinen Materialien liegen", betont Haase, "hielt man bis vor kurzem bei nanokristallinen Leuchtstoffen nicht für realisierbar."
Nanokristalle haben nun gegenüber makrokristallinen Leuchtstoffen einen großen Vorteil: Sie sind so winzig, dass sie sichtbares Licht nicht streuen. Ein durchsichtiger Lack oder Kunststoff als umgebendes Material wird durch die Kriställchen nicht getrübt.
Jedoch gibt es einen gravierenden Nachteil: Da die Anregungsenergie innerhalb solcher Kristalle von Atom zu Atom weitergereicht werden kann, erreicht sie bei sehr kleinen Partikeln rasch die Oberfläche, wo sie strahlungslos auf die Matrix übertragen wird – die Lumineszenz wird zum Großteil gelöscht.
Ein Forscherteam von HASYLAB/DESY und der Universität Hamburg suchte nun nach einer Methode, um diese Energieverluste bei nanokristallinen Lanthanoid-Materialien zu verringern und so deren Lumineszenz zu intensivieren. Ausgangsmaterial waren etwa fünf Nanometer messende Kriställchen eines Cer-Phosphats, in das Terbium-Ionen eingebaut waren, und die bei Anregung mit UV-Licht grün leuchten.
Auf die Partikel kristallisierten die Wissenschaftler um Markus Haase eine Schale aus Lanthan-Phosphat auf. Diese Verbindung hat ein praktisch identisches Kristallgitter wie Cer-Phosphat, sodass beide Schichten übergangslos miteinander verwachsen.
"Während die Anregungsenergie eines Cer-Atoms zum benachbarten Cer-Atom hüpfen kann, funktioniert dieser Energietransport zwischen Cer und Lanthan nicht," erklärt Haase. "Die Lanthan-Phosphat-Schicht wirkt deshalb als Sperre für den Energietransport an die Oberfläche der Kriställchen."
So gelang den Hamburger Forschern die Herstellung eines Materials, das mit einer Quantenausbeute von 70 Prozent grün leuchtet. Der größte Teil des eingestrahlten UV-Lichts wurde also in Lumineszenz umgewandelt. "Quantenausbeuten, die so nah am Wert der makrokristallinen Materialien liegen", betont Haase, "hielt man bis vor kurzem bei nanokristallinen Leuchtstoffen nicht für realisierbar."
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