Ultraschnelle Quanteneffekte in kostengünstigen Materialien entdeckt

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Samuel Stranks an der University of Cambridge hat ultraschnelle Quanteneffekte in einem einfachen, preiswerten Halbleitermaterial beobachtet – ein Durchbruch, der künftige Quantengeräte schneller und günstiger machen könnte. Die dafür nötigen Röntgenmessungen führten Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum und an der Technischen Universität München durch.

IMG 8315 Dr. Baohu Wu bedient die Kleinwinkelröntgenstreuanlage KWS-X im SAXS/WAXS-Labor des JCNS am MLZ. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Dr. Baohu Wu bedient die Kleinwinkelröntgenstreuanlage KWS-X im SAXS/WAXS-Labor des JCNS am MLZ. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Das Forschungsteam hat entdeckt, dass Bulk-Formamidinium-Bleijodid (FAPbI₃)-Filme, die mit skalierbaren Lösungs- oder Dampfverfahren hergestellt wurden, Quantenemissionen mit extrem schmalen Linienbreiten (kleiner als 2 Nanometer) und Abklingzeiten im Pikosekundenbereich – Lichtemissionen, die nur Billionstel Sekunden dauern – aufweisen. Diese Effekte entstehen spontan innerhalb von Nanodomänen-Supergittern, ohne dass aufwändige oder teure Nanostrukturen erforderlich sind.

Halogenid-Perowskite sind vielversprechende Materialien für etwa Solarzellen, Leuchtdioden und Quantenlichtquellen. Ultraschnelle Emissionsraten, wie sie für fortschrittliche Quantenanwendungen erforderlich sind, konnten jedoch bislang nur mit weitaus teureren Materialien erreicht werden.

Ursprung der Quanteneffekte im Supergitter

Mithilfe ultraschneller Spektroskopie, kryogener hyperspektraler Photolumineszenzmikroskopie und Rasterelektronenbeugung konnten die Forschenden den strukturellen Ursprung dieser Quanteneffekte genau bestimmen: geschichtete, nanostrukturierte Supergitter, die durch abwechselnd eck- und flächenteilende Oktaeder gebildet werden. Diese periodische Struktur schafft eine natürliche, intrinsische quantenbegrenzte Umgebung.

IMG 8284 SAX Ludewig An der SAXS/WAXS-Labor-Beamline am MLZ in Garching wurden die Messungen durchgeführt. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

An der SAXS/WAXS-Labor-Beamline am MLZ in Garching wurden die Messungen durchgeführt. © Bernhard Ludewig, FRM II / TUM

Röntgenmessungen am MLZ und der TUM

Der Hauptbeitrag zu dieser Forschung stammt vom Team der Universität Cambridge, das die Herstellung der Proben, die ultraschnellen spektroskopischen Messungen, die Strukturanalyse und die Datenmodellierung leitete. Kryogene Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuungsmessungen (SAXS/WAXS), die für das Verständnis des Strukturverhaltens bei niedrigen Temperaturen entscheidende Unterstützung bei der Charakterisierung leisteten, wurden von Dr. Baohu Wu vom Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching bei München sowie von Dr. Renjun Guo und Prof. Peter Müller-Buschbaum vom Fachbereich Physik der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt.

Die Entdeckung zeigt, dass ultraschnelle Quantenphänomene, die bisher nur in aufwändig gefertigten Materialien realisierbar waren, auch in kostengünstigen, leicht herstellbaren Perowskit-Filmen auftreten können. Dies eröffnet neue Wege, um leistungsstarke Quantenemitter für Anwendungen in den Bereichen ultraschnelles Rechnen, Kommunikation und Sensorik zu entwickeln.

Originaltext: Angela Wenzik, Forschungszentrum Jülich