Das internationale Forscherteam fand heraus, dass angeregte Elektronen (in der Mitte des Bildes) das schiefe Kristallgitter von Perovskit-​Nanokristallen geradebiegen kann (Quelle: Nuri Yasdani / ETH Zurich).

Revolutionäre Einblicke

Publiziert

Forscher beobachten Verformung der Kristallstruktur von Perowskit-Nanokristallen.

Wissenschaftler von der ETH Zürich, Empa und Stanford haben mithilfe ultraschneller Elektronenbeugungseinrichtungen einen Durchbruch erzielt. Sie beobachteten Schnappschüsse der Kristallstruktur von Perowskit-Nanokristallen, während diese von angeregten Elektronen verformt wurden. Überraschend zeigte sich, dass die Verformung die anfänglich schiefe Kristallstruktur des Materials gerade bog, statt sie ungeordneter zu machen.

Das Verständnis der Bewegungen von Atomen und Elektronen in Materialien ist oft der Schlüssel zur Lösung vieler wissenschaftlicher und technischer Herausforderungen. Besonders im Fokus standen die Halid-Perowskite, Mineralien, die in verschiedenen Technologien wie Solarzellen oder Quantenanwendungen Anwendung finden. Ein Forscherteam unter der Leitung von Nuri Yazdani und Vanessa Wood von der ETH Zürich sowie Aaron Lindenberg in Stanford hat bedeutende Fortschritte im Verständnis von Perowskiten erreicht. Sie konnten die Bewegungen von Atomen in Nanokristallen mit einer zeitlichen Auflösung von wenigen Milliardstel Sekunden untersuchen und ihre Erkenntnisse kürzlich im Fachjournal Nature Physics veröffentlichen.

"Perowskite sind für viele optoelektronische Anwendungen fantastisch geeignet", erklärt Yazdani. "Aber es ist faszinierend, dass diese Materialklasse solch herausragende optische und elektronische Eigenschaften besitzt." Diese Minerale besitzen eine Kristallstruktur ähnlich dem "ursprünglichen" Perowskit Calciumtitanat (CaTiO3). Es war bereits bekannt, dass angeregte Elektronen, wenn Perowskite Licht absorbieren, stark an Phononen im Material koppeln. Phononen sind kollektive Schwingungen der Atome in einem Kristall.

"Normalerweise betrachten wir die mittlere Position jedes Atoms im Kristall als fest", erklärt Yazdani. "Aber das ändert sich, wenn die optische Anregung von Elektronen zu einer umfassenden Umstrukturierung des Kristallgitters führt." Die zentrale Frage war also: Wie verändern angeregte Elektronen in Perowskiten die Form des Kristallgitters?

Einblick in Nanokristalle
Um in das Innere eines Perowskits, konkret eines Formamidinium-Blei-Bromids, zu blicken, nutzten die Forscher die ultraschnelle Elektronenbeugungs-Strahllinie am Stanford National Accelerator Laboratory (SLAC). Elektronenpulse von nur wenigen hundert Femtosekunden (Millionstel einer Millionstel Sekunde) trafen auf die 10 Nanometer grossen Perowskit-Nanokristalle, und die gebeugten Elektronenmuster wurden auf einem Schirm aufgezeichnet. Ähnlich wie Licht, das durch einen Doppelspalt geht, konnten sie anhand der Beugungsmuster winzige Änderungen in der Kristallstruktur messen.

Die Forscher nutzten eine Besonderheit der Strahllinie, um die Verformung des Kristallgitters während und nach der Absorption von Photonen zu beobachten. Durch die Koordination von Photonenaussendung und Elektronenpuls konnten sie die relative Ankunftszeit beider an den Nanokristallen kontrollieren. Die Auswertung dieser Schnappschüsse über mehrere hundert Pikosekunden ermöglichte es, die zeitliche Entwicklung der durch angeregte Elektronen verursachten Verformung des Kristallgitters zu verfolgen.

Überraschende Erkenntnisse
ie Ergebnisse überraschten die Forscher: Statt eine Reduzierung der Symmetrie des Kristallgitters zu erwarten, stellten sie fest, dass die Verformung eine leicht erhöhte Symmetrie bewirkte. Die angeregten Elektronen hatten die schiefe Kristallstruktur des Perowskits stattdessen ein wenig gerader gebogen. Modellrechnungen deuteten darauf hin, dass mehrere Exzitonen, gebundene Paare von angeregten Elektronen und positiv geladenen Löchern, gemeinsam das Gitter gerichtet hatten. Diese Exzitonen ziehen sich aufgrund einer Verringerung ihrer Gesamtenergie gegenseitig an.

Massgeschneiderte optische Eigenschaften
"Ein Verständnis der Elektronen-Phononen-Kopplung wird es uns ermöglichen, massgeschneiderte Perowskite mit spezifischen optischen Eigenschaften für verschiedene Anwendungen herzustellen", sagt Yazdani. Diese Erkenntnisse könnten die Entwicklung von Perowskit-Nanokristallen für zukünftige Fernsehtechnologien verbessern, indem sie mit einer Schale aus einem anderen Material ummantelt werden, um die optische Kopplung zu reduzieren. Ähnlich wie bei Supraleitern könnte diese Anziehung auch für den verlustfreien Elektronentransport genutzt werden, was wiederum die Entwicklung von Perowskit-basierten Solarzellen vorantreiben könnte.

EVENTS

CMS Berlin

Internationale Leitmesse für Reinigung und Hygiene

Datum: 23.-26. September 2025

Ort: Berlin (D)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

POWTECH

Internationale Fachmesse für Technologien zur Verarbeitung von Pulvern, Feststoffen und Flüssigkeiten

Datum: 23.-25. September 2025

Ort: Nürnberg (D)

W3+ Fair Jena

Events für Hightech-Innovationen aus den Schlüsseltechnologien Optik, Photonik, Elektronik und Mechanik

Datum: 24.-25. September 2025

Ort: Jena (D)

Rehacare

Internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege

Datum: 17.-20. September 2025

Ort: Düsseldorf (D)

CPHI

Weltweit führende Messe für die pharmazeutische Industrie

Datum: 28.-30. Oktober 2025

Ort: Frankfurt (D)

A + A

Weltleitmesse für sicheres und gesundes Arbeiten

Datum: 04.-07. November 2025

Ort: Düsseldorf (D)

transport-CH

Schweizer Fachmesse für Nutzfahrzeuge und Automobil-Werkstattbedarf

Datum: 05.-08. November 2025

Ort: Bern (CH)

Healthcare Academy

Veranstaltung für Fachleute aus den Bereichen Pharma, Medizintechnik, Kosmetik und Non-Food über aktuelle Entwicklungen in der Verpackungstechnologie

Datum: 06. November 2025

Ort: St. Gallen (CH)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 18.-21. November 2025

Ort: München (D)

AUTOMA+

Kongress für die Pharmaindustrie mit Konzentration auf die digitale Transformation und Automatisierung

Datum: 24.-25. November 2025

Ort: Vösendorf (A)

Bitkom Digital Health Conference

Konferenz für die Chancen und Herausforderungen der Digitalisierung im Gesundheitswesen

Datum: 25. November 2025

Ort: Berlin (D)

AQUA Suisse

Schweizer Fachmesse für kommunales und industrielles Wassermanagement

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für industrielle Pumpen, Armaturen & Prozesse

Datum: 26.-27. November 2025

Ort: Zürich (CH)

LabConCert

Internationale Konferenz zu Biosicherheit und Labortechnik

Datum: 01.-03. Dezember 2025

Ort: Freising bei München (D)

Swissbau

Fachmesse der Schweizer Bau- und Immobilienwirtschaft

Datum: 20.-23. Januar 2026

Ort: Basel (CH)

Pharmapack Paris

Europäische Fachmesse für die Pharmaverpackungs- und Arzneimittelverabreichungsgeräteindustrie

Datum: 21.-22. Januar 2026

Ort: Paris (F)

Empack Schweiz

Schweizer Fachmesse für Verpackungslösungen und -technologien

Datum: 28.-29. Januar 2026

Ort: Bern (CH)

Logistics & Automation

Fachmesse für Intralogistik, Distribution, Transport und E-Logistik in der Schweiz

Datum: 28.-29. Januar 2026

Ort: Bern (CH)

Recyclingkongress

Kongress über aktuelle Entwicklungen, Innovationen und Herausforderungen im Bereich Recycling

Datum: 30. Januar 2026

Ort: Biel/online (CH)

aqua pro

Schweizer Fachmesse für die Bereiche Trinkwasser, Abwasser und Gas

Datum: 04.-06. Februar 2026

Ort: Bulle (CH)

Paris Packaging Week

Weltweit grösste Messe für Verpackungsinnovationen in der Parfüm-, Kosmetik- und Körperpflegeindustrie

Datum: 05.-06. Februar 2026

Ort: Paris (F)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 10.-13. Februar 2026

Ort: Nürnberg (D)

Additive Manufacturing Forum

Europäische Leitkonferenz und Fachausstellung für additive Fertigung

Datum: 10.-11. März 2026

Ort: Berlin (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 24.-26. März 2026

Ort: Stuttgart (D)

analytica

Weltleitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 24.-27. März 2026

Ort: München (D)

Global Industrie

Messe für den gesamten industriellen Sektor in Frankreich und darüber hinaus

Datum: 30. März-02. April 2026

Ort: Paris (F)

PaintExpo

Weltleitmesse für industrielle Lackiertechnik

Datum: 14.-17. April 2026

Ort: Karlsruhe (D)

LogiPharma 4.0

Veranstaltung für die Pharmalogistik und die Lieferketten in der Pharmaindustrie

Datum: 14.-16. April 2026

Ort: Wien (CH)

Hannover Messe

International Messe für alle Technologien rund um die industrielle Transformation

Datum: 20.-24. April 2026

Ort: Hannover (D)

Techtextil

Internationale Leitmesse für technische Textilien und Vliesstoffe

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Fachmesse für Mikrotechnik

Datum: 21.-24. April 2026

Ort: Moutier (CH)

Swiss Biotech Day

Internationale Konferenz für die Biotechnologiebranche

Datum: 04.-05. Mai 2026

Ort: Basel (CH)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 04.-07. Mai 2026

Ort: München (D)

London Lab Live

Fachmesse und Konferenz für die Zukunft von Laboren

Datum: 6.-7. Mai 2026

Ort: London (GB)

interpack

Internationale Fachmesse für die Verpackungsindustrie und die zugehörige Prozessindustrie

Datum: 07.-13. Mai 2026

Ort: Düsseldorf (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 09.-11. Juni 2026

Ort: Nürnberg (D)

ArbeitsSicherheit Schweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz und Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 20.-21. Mai 2026

Ort: Zürich (CH)

Swissmem Industrietag

Konferenz für die Berufsbildung in der Schweizer Tech-Industrie

Datum: 23. Juni 2026

Ort: Bern (CH)

CosmeticBusiness

Internationale Fachmesse für die Kosmetik-Zulieferindustrie

Datum: 10.-11. Juni 2026

Ort: München (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Internationale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 10.-12. Juni 2026

Ort: Genf (CH)

GS1 Excellence Days

Konferenz für Innovationen und Lösungen im Bereich der Standardisierung, Identifikation und Geschäftsprozesse

Datum: 18. Juni 2026

Ort: Bern (CH)

FILTECH

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 30. Juni-02. Juli 2026

Ort: Köln (D)

all about automation

Fachmesse für Industrieautomation

Datum: 26.-27. August 2026

Ort: Zürich (CH)

IN.STAND

Messe für Instandhaltung und Services

Datum: 15. bis 19. September 2026

Ort: Stuttgart (D)

Ilmac Lausanne

Fachmesse und Branchentreff für die Chemie- und Life-Science-Industrie in der Westschweiz

Datum: 23.-24. September 2026

Ort: Lausanne (CH)

VISION

Weltleitmesse für industrielle Bildverarbeitung

Datum: 06.-08. Oktober 2026

Ort: Stuttgart (D)

IFAS

Internationale Fachmesse für den Schweizer Gesundheitssektor

Datum: 20.-22. Oktober 2026

Ort: Zürich (CH)

electronica

Weltleitmesse und Konferenz der Elektronik

Datum: 10.-13. November 2026

Ort: München (D)

ALL4PACK EMBALLAGE

Leitmesse für die Verpackungs- und Intralogistikbranche

Datum: 24.-26. November 2026

Ort: Paris (F)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 01.-03. Dezember 2026

Ort: Düsseldorf (D)

Achema

Weltleitmesse für Prozessindustrie

Datum: 14.-18. Juni 2027

Ort: Frankfurt am Main (D)

Automatica

Weltleitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse und Kongressfür Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 22.-25. Juni 2027

Ort: München (D)

drupa

Weltweit führende Fachmesse für Drucktechnologien

Datum: 09.-17. Mai 2028

Ort: Düsseldorf (D)

Bezugsquellenverzeichnis