Ein Forschungsteam der Empa hat gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie in Berlin sowie weiteren Partnern erstmals die Lichtausbeute von Chalkogenid-Perovskiten experimentell bestimmt. Die untersuchten Kristalle zeigen eine stärkere Photolumineszenz als bislang angenommen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Advanced Optical Materials» veröffentlicht.
Chalkogenid-Perovskite werden für Solarzellen, Fotodetektoren und weitere optoelektronische Anwendungen erforscht. Laut Empa sind die Materialien stabil und bestehen aus ungiftigen, in der Erdkruste reichlich vorkommenden Elementen. Ihre optischen und elektronischen Eigenschaften machen sie theoretisch für solche Anwendungen geeignet. Eine experimentelle Bestimmung der Lichtausbeute fehlte jedoch bislang.
Defekte dämpfen die Photolumineszenz
Das Team um Mirjana Dimitrievska aus dem Empa-Labor «Transport at Nanoscale Interfaces» untersuchte einen am Helmholtz-Zentrum hergestellten Einkristall aus Barium-Zirkonium-Sulfid. Mithilfe fortschrittlicher Spektroskopie-Methoden erfassten die Forschenden dessen Photolumineszenz.
«Damit konnten wir nachweisen, dass das Material eine relativ starke Photolumineszenz hat. Wenn man es als Dünnschicht herstellt, wird diese Photolumineszenz aber sehr stark durch Defekte gedämpft, die bei der Synthese und der Verarbeitung entstehen», erklärt Dimitrievska. «Unsere Ergebnisse am Einkristall stimmen hingegen sehr gut mit der Theorie überein.»
Die spektroskopischen Untersuchungen helfen dabei, Ursachen für Abweichungen zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Ergebnissen zu erkennen. Dazu zählen Defekte durch eine nicht optimale Synthese oder Probleme mit elektrischen Anschlüssen in Prototyp-Komponenten. Die Erkenntnisse dienen dazu, Herstellung und Verarbeitung weiterzuentwickeln. Bis Chalkogenid-Perovskite praktisch eingesetzt werden können, ist laut Empa noch weitere Entwicklungsarbeit erforderlich.
Nadelartige Nebenprodukte im Fokus
Ein weiteres Forschungsprojekt widmet sich einer Form des Materials, die bislang als unerwünschtes Nebenprodukt der Synthese galt. Dabei entstehen anstelle der Perovskit-Struktur winzige nadelartige Strukturen mit sechseckigem Querschnitt.
Diese Chalkogenid-Nadeln besitzen besondere Eigenschaften beim Polarisieren, Brechen und Leiten von Licht. Darüber hinaus zeigen sie laut Empa Potenzial als Supraleiter und Quantenmaterialien.
Gemeinsam mit der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg wollen Dimitrievska und ihr Team die Eigenschaften dieser «Quanten-Nadeln» untersuchen und ihre Herstellung weiterentwickeln. Geplant ist zudem die Integration in erste photonische und elektronische Komponenten. Der Schweizerische Nationalfonds unterstützt das Projekt im Rahmen des internationalen «Weave»-Programms.
Literatur
RS Nielsen, ÁL Álvarez, Y Tomm, G Gurieva, A Ortega-Guerrero, J Breternitz, L Bastonero, N Marzari, CA Pignedoli, S Schorr, M Dimitrievska: BaZrS3 Lights Up: The Interplay of Electrons, Photons, and Phonons in Strongly Luminescent Single Crystals; Advanced Optical Materials (2025); doi: 10.1002/adom.202500915