Die Erzeugung von hellem, zirkular polarisiertem Licht ist ein seit langem angestrebtes Ziel in der Materialwissenschaft. Es gilt als äußerst anspruchsvoll, sowohl eine ausgeprägte Chiralität – die die Drehung des Lichts in eine bestimmte Richtung beschreibt – als auch eine hohe Quantenausbeute der Photolumineszenz (PLQE) zu erreichen.
Bedeutung der Photolumineszenz
Die Kennzahl PLQE gibt die Fähigkeit eines Materials zur Lichtemission an. Anorganische Halbleiter können zwar eine hohe Helligkeit erzeugen, weisen jedoch in der Regel nur eine geringe Lichtpolarisation auf. Im Gegensatz dazu zeigen organische molekulare Halbleiter zwar eine hohe Polarisation, aber ihre Helligkeit wird oft durch Verluste aufgrund von dunklen Zuständen eingeschränkt. „Ein Material, das die hohe Quantenausbeute der Lumineszenz von anorganischen Halbleitern und die starke Chiralität von organischen Molekülsystemen wirklich vereint, fehlte bisher“, so Prof. Dr. Felix Deschler vom Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg.
Um die angestrebte Helligkeit bei gleichzeitig hoher Polarisation zu erzielen, hat die Heidelberger Forschungsgruppe einen hybriden Metallhalogenid-Perowskit-Halbleiter mit geschichteter Struktur entwickelt. Hierfür haben die Forscher ein maßgeschneidertes chirales organisches Molekül als Hybridkomponente in die Perowskit-Struktur integriert.
Durch die Verwendung eines kleinen aromatischen Moleküls mit einem präzise platzierten Halogenatom im aromatischen Ring entstanden dabei neuartige chirale Perowskite mit der Struktur-Bezeichnung R/S-3BrMBA2PbI4. „Die Fähigkeit, die Struktur so stark zu verändern und gleichzeitig eine gute Materialleistung beizubehalten, unterstreicht die Fähigkeit der Perowskit-Materialien, Verzerrungen im Kristallgitter zu tolerieren“, erläutert Doktorand Shangpu Liu.
Stark verzerrte Kristallstrukturen bei 3BrMBA2PbI4-Perowskiten
Aufgrund ihrer stärker verzerrten Kristallstrukturen weisen chirale 3BrMBA2PbI4-Perowskite selbst bei Raumtemperatur einen deutlich verbesserten Grad an zirkular polarisierter Lumineszenz auf als andere Materialien. Mithilfe von hochentwickelten ultraschnellen Laserspektroskopie-Messungen konnten die Wissenschaftler die Prozesse hinter der Erzeugung dieses besonderen Lichts auflösen. Die jetzt gefundenen Werte für Polarisation und Helligkeit übertreffen die Zahlen, die von zuvor verwendeten chiralen Halbleitern bekannt sind.
Die Forscher konnten zudem zeigen, dass die neuartigen Materialien sehr vielversprechend für Anwendungen sind, die auf zirkular polarisiertes Licht angewiesen sind. Sie implementierten die Materialien bereits in Lichtdetektoren, die die Chiralität des einfallenden Lichts erfassen und unterscheiden können. Darüber hinaus entwickelte das Forschungsteam Leuchtdioden, mit denen aus Strom Licht erzeugt werden kann. Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen des ERC Starting Grants „Twisted Perovskites – Control of Spin and Chirality in Highly-luminescent Metal-halide Perovskites“ unter Leitung von Prof. Deschler durchgeführt.
