LMU-Forschende entwickeln Methode für Qualitätsanalyse einzelner Nanokristalle – und leisten einen wichtigen Schritt für die zuverlässige Produktion im industriellen Maßstab.
Grünes Licht für das Nano-Hochdurchsatzscreening: Das LMU Team (von links: Emiliano Cortés, Christoph Gruber, Alexander Urban, Andrea Mancini) kann die optischen Eigenschaften von 20 Nanometer großen Partikeln bestimmen. (Foto: C. Gruber/LMU)
Nanokristalle werden bereits heute millionenfach in Fernsehern, Laptops und Displays eingesetzt und gelten als Schlüsselmaterialien für die nächste Generation von Quanten-, Sensor- und Solartechnologien. Ihr volles Potenzial können sie bislang jedoch noch nicht entfalten. Ein zentraler Grund: Die winzigen Partikel sind uneinheitlich. In einer einzigen Lösung befinden sich Milliarden Nanokristalle mit teils stark unterschiedlichen Eigenschaften. Obwohl sich die Partikel charakterisieren lassen, sind wichtige Qualitätsparameter nur als Durchschnittswert über alle Partikel zugänglich. „Für ihre Funktion in Bauteilen sind diese Durchschnittswerte jedoch unzureichend“, sagt Prof. Emiliano Cortés, der am Nano-Institut der LMU München forscht, „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.”
Eine neue Methodik basierend auf Licht
Wie sich diese Lücke schließen lässt, stellt Cortés gemeinsam mit seinem Team in einer aktuellen Publikation im Fachmagazin Nature Materials vor. Darin bestimmen die Forschenden erstmals die Größe und Quantenausbeute von Tausenden einzelnen Perowskit-Nanowürfeln direkt in Lösung und in kurzer Zeit. „Wir haben eine Hochdurchsatz-Methode basierend auf Licht entwickelt, mit der wir eine Qualitätskontrolle auf Einzelpartikelebene abbilden können”, erklärt Dr. Christoph Gruber, Erstautor der Studie. „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.“
Ein Erfolgsfaktor der Studie war die enge Zusammenarbeit mit weiteren LMU-Forschenden: dem Team um Prof. Alexander Urban. Die Gruppe hat sich auf die Synthese von Perowskit-Nanokristallen spezialisiert und stellt die Nanowürfel her. Die untersuchten Perowskit-Nanowürfel sind kleiner als 20 Nanometer und unterscheiden sich teils stark in ihrer optischen Leistung, auch wenn es scheinbar einheitliche Proben sind. 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.“
Nanowürfel im Qualitätscheck
Der Weg zum Hochdurchsatz-Screening war jedoch anspruchsvoll, denn dazu müssen tausende Partikel schnell, präzise und reproduzierbar erfasst werden. „Eine große Herausforderung war es, die großen Datenmengen zu bewältigen und eine verlässliche Auswertungspipeline aufzubauen”, erklärt Dr. Andrea Mancini, Co-Erstautor der Studie. Zudem sind Perowskit-Nanokristalle empfindlich, reagieren sensibel auf starke Lichteinstrahlung, Sauerstoff oder Feuchtigkeit und können sich während der Messung verändern. „Wir mussten sicherstellen, dass wir wirklich das Material messen und nicht ein Zersetzungsprodukt“, erklärt Cortes. „Dass wir stabile in-situ-Messungen erreicht haben, war ein wichtiger Durchbruch.”
Mit der neuen Methode verknüpfen die Forschenden erstmals systematisch Größe und Funktion einzelner Nanopartikel – und machen diese Beziehung für die Materialentwicklung nutzbar. „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.” Das Potenzial der Technologie hat auch der European Innovation Council erkannt: Die Weiterentwicklung und Überführung der patentierten Methode in die praktische Anwendung wird mit einem EIC Transition Grant in Höhe von 2,45 Millionen Euro gefördert. Im Rahmen des iNSyT One-Projekts wird Dr. Christoph Gruber daran arbeiten, die Technologie in ein marktfähiges Produkt zu überführen. Ziel ist es, damit eine schnelle und präzise Qualitätskontrolle von Nanopartikeln zu ermöglichen.
Publikation:
High-throughput in situ sizing and quantum yield determination of individual perovskite nanocrystals; Christoph G. Gruber*, Andrea Mancini*, Nina A. Henke, Carola Lampe, Olivier Henrotte, Michael F. Lichtenegger, Franz Gröbmeyer, Andreas Singldinger, Yi Li, Stefan A. Maier, Alexander S. Urban+, Emiliano Cortés+, Nature Materials
https://doi.org/10.1038/s41563-026-02607-5
Kontakt:
Prof. Emiliano Cortes, NanoEnergy Group
Emiliano.Cortes@lmu.de
Prof. Alexander Urban, Nanospectroscopy Group
urban@lmu.de
Dr. Christoph Gruber, iNSyT ONE Project
ch.gruber@physik.uni-muenchen.de