Verknüpfung der kolloidalen und optischen Eigenschaften von I-III-VI-Halbleiter-Nanoplättchen und deren Zusammensetzungen

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kraus; Dr. Fabian Paulus, seit 10/2025
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565032385

In diesem Projekt werden wir eine kolloidale Synthese von Nanoplättchen (NPLs) auf der Basis von Cu-Zn-In-S (CZIS) entwickeln und ihre Selbstorganisation untersuchen, um die Beziehungen zwischen ihren optischen Eigenschaften, Oberflächenliganden und der Anordnung aufzuklären. Das Projekt wird komplementäres Fachwissen und Bemühungen der Gruppen in Dresden und Saarbrücken vereinen. Die Arbeiten werden aus zwei Hauptteilen bestehen: 1) Entwicklung der kolloidalen Synthese von CZIS-NPLs im Hinblick auf eine präzisere Abstimmung ihrer Dimensionen, insbesondere ihrer Dicke (Dresden), und 2) Untersuchung ihrer Selbstorganisation auf drei verschiedenen hierarchischen Ebenen (Saarbrücken). Halbleiter-NPLs besitzen aufgrund ihres starken Quanteneinschlusses in einer Dimension einzigartige anisotrope Eigenschaften, da die Dicke der NPLs in der Regel deutlich kleiner ist als der entsprechende Exzitonen-Bohrradius des Materials. Der bisher am meisten untersuchte und entwickelte Vertreter der 2D-Halbleiter ist CdSe, dessen praktische Anwendungen in der Elektronik aufgrund des giftigen Cd stark eingeschränkt sind. Daher hat sich der Schwerpunkt der Forschung auf weniger toxische Alternativen verlagert, zu denen auch I-III-VI-Halbleiter wie CIS gehören. 2D I-III-VI-Nanokristalle werden kaum untersucht, da es an synthetischen Protokollen mangelt, was auf die Komplexität der Reaktionsmischungen zurückzuführen ist. Hier wird die Dresdner Gruppe den Hauptbeitrag leisten, indem wir unsere neue synthetische Methode nutzen. Die synthetisierten NPLs werden einem Ligandenaustausch mit einer Vielzahl von organischen, anorganischen und hybriden organisch-anorganischen Liganden unterzogen. Die Abstimmung ihrer Oberflächeneigenschaften wird eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle ihres Selbstorganisationsverhaltens spielen, das hauptsächlich von der Saarbrücker Gruppe untersucht werden soll. Die Selbstorganisation der NPLs wird auf drei verschiedenen Komplexitätsebenen untersucht: 1) Agglomeration der NPLs in Lösung unter Bildung von Stapeln, 2) Zusammenbau zu dünnen Monoschichten mit Orientierung waagerecht oder senkrecht und 3) Bildung von NPL-Multischichten. Jeder Zusammenbautyp wird mit Hilfe modernster Methoden und molekulardynamischer Simulationen gründlich charakterisiert, um Korrelationen zwischen der Ligandenschale, ihrem Einfluss auf die Anordnung der NPLs und damit auf die optischen Eigenschaften zu finden. Es wird erwartet, dass sich diese Arbeit nicht nur auf die Grundlagen der Chemie kolloidaler 2D-Halbleiternanomaterialien, ihre Synthesemethoden und ihr Selbstorganisationsverhalten auswirkt, sondern auch einen zuverlässigen Weg zur Kontrolle der optischen Eigenschaften makroskopischer Proben über die einstellbare elektronische Kopplung zwischen den NPLs bietet. Die daraus resultierenden Materialien und Strukturen werden vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in LEDs, Solarzellen, lumineszierenden Solarkonzentratoren und Photodetektoren sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Privatdozent Dr. Vladimir Lesnyak, bis 9/2025