Mehrere Wellenlängen von Licht, das von einer einzigen Quelle unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanopartikeln emittiert wird.

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KAIST-Forscher haben eine Sammlung von Nanopartikeln, so genannte Kohlenstoffpunkte, synthetisiert, die in der Lage sind, von einem einzigen Partikel Licht mehrerer Wellenlängen zu emittieren. Darüber hinaus entdeckte das Team, dass die Dispersion der Kohlenstoffpunkte oder der Abstand zwischen den Teilchen zwischen den einzelnen Punkten die Eigenschaften des Lichts beeinflusst, das die Kohlenstoffpunkte aussenden. Diese Entdeckung wird es den Forschern ermöglichen, zu verstehen, wie diese Kohlenstoffpunkte kontrolliert werden können, und neue, umweltverträgliche Displays, Beleuchtungen und Sensortechnologien zu entwickeln.

Die Erforschung von Nanopartikeln, die Licht aussenden können, wie z.B. Quantenpunkte, war in den letzten anderthalb Jahrzehnten ein aktives Interessengebiet. Bei diesen Teilchen oder Phosphoren handelt es sich um Nanopartikel aus verschiedenen Materialien, die in der Lage sind, Licht bei bestimmten Wellenlängen zu emittieren, indem sie die quantenmechanischen Eigenschaften der Materialien nutzen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Beleuchtungs- und Anzeigelösungen sowie zur präziseren Detektion und Abtastung in Instrumenten.

Da die Technologie immer kleiner und ausgeklügelter wird, hat die Verwendung von fluoreszierenden Nanopartikeln in vielen Anwendungen aufgrund der Reinheit der von den Punkten emittierenden Farben sowie ihrer Abstimmbarkeit auf die gewünschten optischen Eigenschaften einen dramatischen Anstieg erfahren.

Kohlenstoffpunkte, eine Art von fluoreszierenden Nanopartikeln, haben ein zunehmendes Interesse von Forschern als Kandidat für den Ersatz kohlenstofffreier Punkte erfahren, deren Konstruktion Schwermetalle erfordert, die für die Umwelt giftig sind. Da sie hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen, ist die geringe Toxizität in Verbindung mit der Abstimmbarkeit ihrer inhärenten optischen Eigenschaften eine äußerst attraktive Eigenschaft.

Ein weiteres auffälliges Merkmal von Kohlenstoffpunkten ist ihre Fähigkeit, von einem einzigen Nanopartikel Licht mehrerer Wellenlängen auszusenden. Diese Multi-Wellenlängen-Emission kann unter einer einzigen Anregungsquelle angeregt werden, was die einfache und robuste Erzeugung von weissem Licht aus einem einzigen Partikel ermöglicht, indem mehrere Wellenlängen gleichzeitig emittiert werden.

Kohlenstoffpunkte zeigen auch eine konzentrationsabhängige Photolumineszenz. Mit anderen Worten: Der Abstand zwischen den einzelnen Kohlenstoffpunkten beeinflusst das Licht, das die Kohlenstoffpunkte anschließend unter einer Anregungsquelle emittieren. Diese kombinierten Eigenschaften machen Kohlenstoffpunkte zu einer einzigartigen Quelle, die zu einer extrem genauen Detektion und Erfassung führt.

Diese Konzentrationsabhängigkeit war jedoch noch nicht vollständig verstanden worden. Um die Fähigkeiten der Kohlenstoffpunkte voll nutzen zu können, müssen zunächst die Mechanismen, die die scheinbar variablen optischen Eigenschaften steuern, aufgedeckt werden. Es wurde früher theoretisiert, dass die Konzentrationsabhängigkeit der Kohlenstoffpunkte auf einen Wasserstoffbindungseffekt zurückzuführen sei.

Nun hat ein KAIST-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Do Hyun Kim von der Abteilung für Chemische und Biomolekulare Technik postuliert und nachgewiesen, dass die Zweifarben-Emission stattdessen auf die Abstände zwischen den Teilchen zwischen den einzelnen Kohlenstoffpunkten zurückzuführen ist. Die Forschung wurde in der 36. Ausgabe der Zeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht.

Der Erstautor der Arbeit, der Doktorand Hyo Jeong Yoo, untersuchte zusammen mit Professor Kim und dem Forscher Byeong Eun Kwak, wie sich die relative Lichtintensität der roten und blauen Farbe ändert, wenn man den Abstand zwischen den Teilchen oder die Konzentration der Kohlenstoffpunkte variiert. Sie stellten fest, dass sich das von den Kohlenstoffpunkten ausgestrahlte Licht bei Anpassung der Konzentration umwandelt. Durch das Variieren der Konzentration war das Team in der Lage, die relative Intensität der Farben zu kontrollieren und sie gleichzeitig zu emittieren, um ein weisses Licht aus einer einzigen Quelle zu erzeugen (siehe Abbildung).

“Die Konzentrationsabhängigkeit der Photolumineszenz der Kohlenstoffpunkte von der Änderung des Emissionsursprungs für verschiedene Zwischenpartikelabstände wurde in früheren Forschungen übersehen. Mit der Analyse des Zweifarben-Emissionsphänomens der Kohlenstoffpunkte glauben wir, dass dieses Ergebnis eine neue Perspektive zur Untersuchung ihres Photolumineszenz-Mechanismus bieten könnte”, erklärte Yoo.

Die neu analysierte Fähigkeit, die Photolumineszenz von Kohlenstoffpunkten zu kontrollieren, wird wahrscheinlich bei der weiteren Entwicklung von Festkörper-Beleuchtungsanwendungen und Sensorik stark genutzt werden.

Referenz: “Der Abstand zwischen den Partikeln als Schlüsselfaktor für die Kontrolle der dualen Emissionseigenschaften von Kohlenstoffpunkten” von Hyo Jeong Yoo, Byeong Eun Kwak und Do Hyun Kim, 25. Juni 2020, Physikalische Chemie Chemische Physik.
DOI: 10.1039/D0CP02120B.

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