Nano-Engineering von Hochkonverter- und Abkonverter-Materialien zur Erhöhung der Quantenausbeute und Untersuchungen des Einflusses der Photonenzustandsdichte auf die Wahrscheinlichkeit für Förster-Energietransfer

• Antragsteller: Dr. Stefan Fischer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263646147

Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Hochkonversion von Photonen durch seltene Erdionen in Wirtskristallen. Die Hochkonversion bezeichnet die Absorption mehrerer Photonen mit der nachfolgenden Emission eines Photons, welches mehr Energie trägt als jedes einzelne zuvor absorbierte Photon. In dem Forschungsprojekt wird ein Fokus auf Hochkonverter-Nanokristalle gesetzt. Diese Materialien finden vielfältige Anwendungen, wie beispielsweise in der Theranostik, als Biomarker, als optische Speicher und zur Ausnutzung von solarer Energie. Allerdings ist die Quantenausbeute der Hochkonverter-Nanokristalle im Vergleich zu mikrokristallinen Hochkonverter-Materialien bislang noch um Größenordnungen geringer. Dies steht einer erfolgreichen Integration in den verschiedenen Anwendungsbereichen noch im Weg. Ein zentraler Schwerpunkt des Forschungsprojekts ist die Erhöhung der Quantenausbeute von Hochkonverter-Nanokristallen für eine erfolgreiche Integration in verschiedenen Anwendungsbereichen. Die zugrundeliegenden Begrenzungen für die Quantenausbeute von Hochkonverter-Nanokristallen sollen erforscht und Lösungen zur Beseitigung der Limitierungen gefunden werden. Des Weiteren sollen fundamentale physikalische Eigenschaften von Energietransferprozessen beleuchtet werden. Im Folgenden werden die drei Forschungsschwerpunkte vorgestellt: 1. Sogenannte core-shell Hochkonverter-Nanokristalle sollen synthetisiert werden. Die speziellen core-shell Hochkonverter-Nanokristalle zeichnen sich durch eine besonders homogene und gleichmäßige Hülle aus, welche den optisch aktiven Kern passivieren. Die optimale Hüllendicke zur maximalen Steigerung der Quantenausbeute der Hochkonversion soll evaluiert werden. Außerdem sollen die maßgeblichen Prozesse zur Verringerung der Quantenausbeute der Hochkonversion für besonders kleine Nanokristalle sowie dünne Hüllendicken untersucht werden. 2. Die Hochkonverter-Nanokristalle sollen zusammen mit einem zweiten lumineszenten Material untersucht werden. Ziel ist es, den effektiv nutzbaren Spektralbereich des Hochkonverters durch das zweite lumineszente Material zu verbreitern. Dadurch können Hochkonverter in vielen Anwendungen, wie beispielsweise zur Wirkungsgradsteigerung von Solarzellen, wesentlich effizienter eingesetzt werden. Des Weiteren sollen mögliche Energietransferprozesse zwischen den Hochkonverter-Nanokristallen und den III-V Halbleiter-Nanomaterialien untersucht werden. 3. Die Hochkonverter-Nanokristalle sollen ebenfalls in Verbindung mit plasmonischen und photonischen Strukturen untersucht werden. Zum einen, um eine mögliche Erhöhung der Quantenausbeute der Hochkonversion zu erforschen. Zum anderen, um den Effekt einer erhöhten Zustandsdichte der Photon auf die Wahrscheinlichkeit für den Förster-Energietransfer zu evaluieren. Förster-Energietransfer stellt den effizientesten und damit wichtigsten Prozess der Hochkonversion in seltenen Erdionen dar. Daher ist dieser Prozess von zentraler Bedeutung.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. A. Paul Alivisatos