Hochdurchsatz-Screening für Nanokristalle

Nanokristalle sind Schlüsselmaterialien für moderne Quanten-, Sensor- und Solartechnologien. Bisherige Charakterisierungsmethoden limitieren jedoch die Qualitätskontrolle. In kolloidalen Lösungen befinden sich Milliarden Partikel mit uneinheitlichen Eigenschaften. Wichtige Qualitätsparameter wurden bislang meist nur als statistischer Durchschnittswert erfasst. „Für ihre Funktion in Bauteilen sind diese Durchschnittswerte jedoch unzureichend“, sagt Professor Emiliano Cortés, „denn jedes einzelne Nanoteilchen kann sich unterschiedlich verhalten – zum Beispiel in seiner Größe oder darin, wie gut es Licht emittiert, also aufgenommene Energie wieder als Licht abgibt.”

Hochdurchsatz-Optik zur Einzelpartikel-Charakterisierung

Das Team um Emiliano Cortés präsentiert im Fachmagazin Nature Materials eine innovative optische Methodik. Erstmals lassen sich Größe und Quantenausbeute tausender Perowskit-Nanowürfel direkt in Lösung bestimmen. Die Messung erfolgt mit hoher zeitlicher Auflösung.

„Wir haben eine Hochdurchsatz-Methode basierend auf Licht entwickelt, mit der wir eine Qualitätskontrolle auf Einzelpartikelebene abbilden können”, erklärt Dr. Christoph Gruber. „Für die zuverlässige Produktion der Materialien und der darauf aufbauenden Geräte ist das von entscheidender Bedeutung. Milliarden Nanopartikel ergeben die Gesamtleistung. Wir können jetzt statt gemittelter Werte differenzieren, wie stark einzelne Teilchen beitragen und wie stark diese in der Probe variieren.“

Korrelation von Morphologie und optischer Effizienz

Die untersuchten Perowskit-Nanowürfel besitzen eine Kantenlänge von unter 20 Nanometern. Trotz scheinbarer Homogenität der Proben variiert die optische Leistung stark. Die Neuentwicklung erlaubt nun die selektive Einzelpartikelanalyse.

Urban: „Wir können jetzt gezielt auf einzelne Teilchen schauen und klare Tendenzen erkennen: Kleinere Nanokristalle weisen beispielsweise eine höhere Quantenausbeute auf – sie emittieren also effizienter Licht – als größere. Dieses Verständnis ist entscheidend, um das große Potenzial von Perowskiten für leistungsfähige und skalierbare optoelektronische Bauteile tatsächlich auszuschöpfen.“

Analytische Herausforderungen und Probenstabilität

Das Hochdurchsatz-Screening erfordert eine schnelle, präzise und reproduzierbare Datenerfassung. Perowskite reagieren hochsensibel auf Photooxidation, Sauerstoff und Feuchtigkeit. Zersetzungsprozesse während der Messung mussten analytisch ausgeschlossen werden.

„Eine große Herausforderung war es, die großen Datenmengen zu bewältigen und eine verlässliche Auswertungspipeline aufzubauen”, erklärt Dr. Andrea Mancini. „Wir mussten sicherstellen, dass wir wirklich das Material messen und nicht ein Zersetzungsprodukt“, erklärt Cortés. „Dass wir stabile in-situ-Messungen erreicht haben, war ein wichtiger Durchbruch.”

In-line-Qualitätskontrolle und Transfer in die Praxis

Die Methode verknüpft systematisch die Partikelgröße mit der photophysikalischen Funktion. Dies optimiert die Materialentwicklung vor der Bauteilintegration. „Hochdurchsatz-Qualitätskontrolle auf dem Niveau einzelner Nanoteilchen – das war es bisher so nicht machbar“, betont Gruber. „Es wird möglich, die Materialqualität bereits vor der Integration in ein Bauteil gezielt zu bewerten und zu optimieren.” Ziel ist ein präzises System zur industriellen Qualitätskontrolle.

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (07/2026)