Die experimentelle Untersuchung und Optimierung von Lanthanid-Nanopartikeln ist ein komplexes und ressourcenintensives Unterfangen. Ein Team um Simon Spelthann hat nun ein neues, verbessertes numerisches Modell vorgestellt, das das Verständnis und die Vorhersage der räumlich-zeitlichen Anregungsdynamik ermöglicht. Ihre Ergebnisse haben sie in der aktuellen Ausgabe von Advanced Optical Materials veröffentlicht.
Das Modell ist auf jede Art von Lanthanid-Nanopartikelsystem anwendbar und in der Lage, die Lebensdauer des angeregten Zustands und die Quantenausbeute einer Größenreihe mit einer nur geringen Unsicherheit vorherzusagen. Die Autoren haben darüber hinaus eine bewährte Strategie zur Unterdrückung des Quenchings numerisch demonstriert. Dabei werden die Nanopartikel von einer neutralen Schale umgeben, was zu einer Verbesserung der Lebensdauer des angeregten Zustands und der Quantenausbeute um 44 Prozent geführt und signifikant viel weniger Zeit und experimentelle Ressourcen beansprucht hat.
Das vorgestellte Modell trägt insgesamt zu einem tieferen Verständnis der Dynamik in Nanopartikeln bei und offenbart neue räumlich-zeitliche Effekte, wie z. B. den Energieeinfang. Damit werden neue Anwendungsbereiche wie hocheffiziente Nanopartikel-Laser im sichtbaren Spektralbereich oder neuartige Nano-Quantenspeicher eröffnet.
Im Rahmen von QuantumFrontiers können mit dem neuen Modell können nun beispielsweise Nanopartikel optimiert werden und so als Komposit-Verstärkungsmedium für flexible und sichtbare Laser, beispielsweise auf Basis von optischen Fasern, dienen.
Die Publikation ist außerdem Cover-Artikel des angesehenen Fachmagazins Advanced Optical Materials. Das künstlerische Titelbild zeigt ein Mainboard mit einer zentralen Recheneinheit, aus der ein Hologramm eines optimierten Nanokristalls hervorgeht. Der Hintergrund zeigt experimentelle Informationen (Größe, Dotierung), die in Ziffern umgewandelt werden und in die Berechnung eingehen.
Originalpublikation
Predicting the Excitation Dynamics in Lanthanide Nanoparticles
Simon Spelthann, Jonas Thiem, Oliver Melchert, Rajesh Komban, Christoph Gimmler, Ayhan Demicran, Axel Ruehl, Detlev Ristau
Advanced Optical Materials 11, 2300096 (2023)
DOI: 10.1002/adom.202300096
