Höhere Quantenausbeute von nanokristallinen Lanthanoid-Materialien

Grün leuchtende Lanthanoid-Nanokristalle mit Kern-Schale-Aufbau zeigen hohe Lumineszenz-Intensität

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.

Wird Leuchtstoffen Energie zugeführt, etwa durch elektrische Felder, Elektronenstrahlen oder UV-Licht, senden sie Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich aus. Dabei wird ein Elektron des Leuchtstoffs in eine energetisch höher liegende „Bahn“ gehoben. Wenn das Elektron später zurückfällt, gibt es seine Energie in Form von Licht wieder ab. Derartige Prozesse nennt man Lumineszenz. Gegenüber makrokristallinen Leuchtstoffen haben Nanokristalle einen großen Vorteil: Sie sind so winzig, dass sie sichtbares Licht nicht streuen. Ein durchsichtiger Lack oder Kunststoff als Matrix wird durch die Kriställchen nicht getrübt. Es gibt jedoch einen ein gravierender 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 umgebende Matrix übertragen wird – die Lumineszenz wird zum Großteil „gelöscht“.

Ein Forscherteam von HASYLAB/DESY und der Universität Hamburg hat nun eine Methode gefunden, um diese Energieverluste bei nanokristallinen Lanthanoid-Materialien (Verbindungen von Metallen der „Seltenen Erden“) zu verringern und so deren Lumineszenz zu intensivieren: Sie umhüllen sie mit einer „Schale“. Ausgangsmaterial waren etwa 5 Nanometer messende Kriställchen eines mit Terbium-Ionen dotierten Cerphosphats, die bei Anregung mit UV-Licht grün leuchten. Auf die Partikel kristallisierten die Wissenschaftler um Markus Haase eine Schale aus Lanthanphosphat auf. Diese Verbindung hat ein praktisch identisches Kristallgitter wie Cerphosphat, sodass beide Schichten übergangslos miteinander verwachsen.

„Während die Anregungsenergie eines Ceratoms zum benachbarten Ceratom hüpfen kann, funktioniert dieser Energietransport zwischen Cer und Lanthan nicht,“ erklärt Haase. „Die Lanthanphosphat-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 % grün leuchtet. Die Quantenausbeute ist ein Maß dafür, wie viel des eingestrahlten UV-Lichts in Lumineszenz umgewandelt wird. Haase: „Quantenausbeuten, die so nah am Wert der makrokristallinen Materialien liegen, hielt man bis vor kurzem bei nanokristallinen Leuchtstoffen nicht für realisierbar.“

Kontakt:

Dr. M. Haase
Institut für Physikalische Chemie
Universität Hamburg
Bundesstr. 45, D-20146 Hamburg
Fax: (+49) 40-42838-3452
E-mail: haase@chemie.uni-hamburg.de