We report on an efficient assembly approach to a variety of electrostatically stabilized all-inorganic semiconductor nanocrystals (NCs) via their linking with appropriate ions into multibranched gel networks. These all-inorganic non-ordered 3D assemblies can combine strong interparticle coupling which facilitates charge transport between the NCs with their diverse morphology, composition, size, and functional capping ligands. Moreover, the resulting dry gels (aerogels) are highly porous monolithic structures, which preserve the quantum confinement of their building blocks. The inorganic semiconductor aerogel made of 4.5 nm CdSe colloidal NCs, capped with iodide ions and bridged with Cd2+ ions, exhibited a surface area as high as 146 m2/g.

Non-ordered porous networks, so-called aerogels, can be achieved by the 3D assembly of quantum dots (QDs). These materials are well suited for photonic applications, however a certain quenching of the photoluminescence (PL) intensity is observed in these structures. This PL quenching is mainly attributed to the energy transfer mechanisms that result from the close contact of the nanoparticles in the network. Here, we demonstrate the formation of a novel aerogel material with non-quenching PL behaviour by non-classical, reversible gel formation from tetrazole capped silica encapsulated QDs. Monitoring of the gelation/degelation by optical spectroscopy showed that the optical properties of the nanocrystals could be preserved in the 3D network since no spectral shifts and lifetime shortening, which can be attributed to the coupling between QDs, are observed in the gels as compared to the original colloidal solutions. In comparison with other QD-silica monoliths, QDs in our gels are homogeneously distributed with a distinct and controllable distance. In addition we show that the silica shell is porous and allows metal ions to pass through the shell and interact with the QD core causing detectable changes of the emission properties. We further show the applicability of this gelation method to other QD materials which sets the stage for facile preparation of a variety of mixed gel structures.

We report on an efficient assembly approach to a variety of electrostatically stabilized all-inorganic semiconductor nanocrystals (NCs) via their linking with appropriate ions into multibranched gel networks. These all-inorganic non-ordered 3D assemblies can combine strong interparticle coupling which facilitates charge transport between the NCs with their diverse morphology, composition, size, and functional capping ligands. Moreover, the resulting dry gels (aerogels) are highly porous monolithic structures, which preserve the quantum confinement of their building blocks. The inorganic semiconductor aerogel made of 4.5 nm CdSe colloidal NCs, capped with iodide ions and bridged with Cd2+ ions, exhibited a surface area as high as 146 m2/g.

Bright emitters with photoluminescence in the spectral region of 800–1600 nm are increasingly important as optical reporters for molecular imaging, sensing, and telecommunication and as active components in electrooptical and photovoltaic devices. Their rational design is directly linked to suitable methods for the characterization of their signal-relevant properties, especially their photoluminescence quantum yield (Φf ). Aiming at the development of bright semiconductor nanocrystals with emission >1000 nm, we designed a new NIR/IR integrating sphere setup for the wavelength region of 600–1600 nm. We assessed the performance of this setup by acquiring the corrected emission spectra and Φf of the organic dyes |trybe, IR140, and IR26 and several infrared (IR)-emissive Cd₁₋ₓHgₓTe and PbS semiconductor nanocrystals and comparing them to data obtained with two independently calibrated fluorescence instruments absolutely or relative to previously evaluated reference dyes. Our results highlight special challenges of photoluminescence studies in the IR ranging from solvent absorption to the lack of spectral and intensity standards together with quantum dot-specific challenges like photobrightening and photodarkening and the size-dependent air stability and photostability of differently sized oleate-capped PbS colloids. These effects can be representative of lead chalcogenides. Moreover, we redetermined the Φf of IR26, the most frequently used IR reference dye, to 1.1 × 10⁻³ in 1,2-dichloroethane DCE with a thorough sample reabsorption and solvent absorption correction. Our results indicate the need for a critical reevaluation of Φf values of IR-emissive nanomaterials and offer guidelines for improved Φf measurements.

Colloidal semiconductor quantum dots (QDs) have gained substantial interest as adjustable, bright and spectrally tunable fluorophores in the past decades. Besides their in-depth analyses in the scientific community, first industrial applications as color conversion and color enrichment materials were implemented. However, stability and processability are essential for their successful use in these and further applications. Methods to embed QDs into oxides or polymers can only partially solve this challenge. Recently, our group introduced the embedding of QDs into ionic salts, which holds several advantages in comparison to polymer or oxide-based counterparts. Both gas permeability and environmental-related degradation processes are negligible, making these composites an almost perfect choice of material. To evaluate this new class of QD-salt mixed crystals, a thorough understanding of the formation procedure and the final composites is needed. The present work is focused on embedding both aqueous-based and oil-based metal-chalcogenide QDs into several ionic salts and the investigations of their optical and chemical properties upon incorporation into the mixed crystals. QDs with well-known, reproducible and high-quality synthetic protocols are chosen as emissive species. CdTe QDs were incorporated into NaCl as host matrix by using the straightforward "classical" method. The resulting mixed crystals of various shapes and beautiful colors preserve the strong luminescence of the incorporated QDs. Besides NaCl, also borax and other salts are used as host matrices. Mercaptopropionic acid stabilized CdTe QDs can easily be co-crystallized with NaCl, while thioglycolic acid as stabilizing agent results in only weakly emitting powder-like mixed crystals. This challenge was overcome by adjusting the pH, the amount of free stabilizer and the type of salt used, demonstrating the reproducible incorporation of highest-quality CdTe QDs capped with thioglycolic acid into NaCl and KCl salt crystals. A disadvantage of the "classical" mixed crystallization procedure was its long duration which prevents a straightforward transfer of the protocol to less stable QD colloids, e.g., initially oil-based, ligand exchanged QDs. To address this challenge, the "Liquid-liquid-diffusion-assisted-crystallization" (LLDC) method is introduced. By applying the LLDC, a substantially accelerated ionic crystallization of the QDs is shown, reducing the crystallization time needed by one order of magnitude. This fast process opens the field of incorporating ligand-exchanged Cd-free QDs into NaCl matrices. To overcome the need for a ligand exchange, the LLDC can also be extended towards a two-step approach. In this modified version, the seed-mediated LLDC provides for the first time the ability to incorporate oil-based QDs directly into ionic matrices without a prior phase transfer. The ionic salts appear to be very tight matrices, ensuring the protection of the QDs from the environment. As one of the main results, these matrices provide extraordinary high photo- and chemical stability. It is further demonstrated with absolute measurements of photoluminescence quantum yields (PL-QYs), that the PL-QYs of aqueous CdTe QDs can be considerably increased upon incorporation into a salt matrix by applying the "classical" crystallization procedure. The achievable PL enhancement factors depend strongly on the PL-QYs of the parent QDs and can be described by the change of the dielectric surrounding as well as the passivation of the QD surface. Studies on CdSe/ZnS in NaCl and CdTe in borax showed a crystal-induced PL-QY increase below the values expected for the respective change of the refractive index, supporting the derived hypothesis of surface defect curing by a CdClx formation as one main factor for PL-QY enhancement. The mixed crystals developed in this work show a high suitability as color conversion materials regarding both their stability and spectral tunability. First proof-of-concept devices provide promising results. However, a combination of the highest figures of merit at the same time is intended. This ambitious goal is reached by implementing a model-experimental feedback approach which ensures the desired high optical performance of the used emitters throughout all intermediate steps. Based on the approach, a white LED combining an incandescent-like warm white with an exceptional high color rendering index and a luminous efficacy of radiation is prepared. It is the first time that a combination of this highly related figures of merit could be reached using QD-based color converters. Furthermore, the idea of embedding QDs into ionic matrices gained considerable interest in the scientific community, resulting in various publications of other research groups based on the results presented here. In summary, the present work provides a profound understanding how this new class of QD-salt mixed crystal composites can be efficiently prepared. Applying the different crystallization methods and by changing the matrix material, mixed crystals emitting from blue to the near infrared region of the electromagnetic spectrum can be fabricated using both Cd-containing and Cd-free QDs. The resulting composites show extraordinary optical properties, combining the QDs spectral tunability with the rigid and tight ionic matrix of the salt. Finally, their utilization as a color conversion material resulted in a high-quality white LED that, for the first time, combines an incandescent-like hue with outstanding optical efficacy and color rendering properties. Besides that, the mixed crystals offer huge potential in other high-quality applications which apply photonic and optoelectronic components.

In dieser Arbeit wird die Abhängigkeit der Photolumineszenz (PL) von CdSe/ZnS-Nanokristallen von der Umgebung und der Einfluss der Filmdicke und -morphologie auf die optische Absorption von Farbstofffilmen untersucht sowie die Oberfläche von Hybridstrukturen durch Funktionalisierung mit Farbstoff analysiert. Untersuchungen von CdSe/ZnS-Nanokristallen in Toluol-Lösung zeigen, dass die PL-Intensität der Nanopartikel durch Zugabe des organischen Halbleiters TPD gequencht wird. Die zusätzliche Auswertung der PL-Lebensdauer verdeutlicht, dass die Abnahme (fast) vollständig durch statisches Quenchen, infolge der Abnahme der Anzahl der mittierenden Nanokristalle verursacht wird, bei einem Anstieg der langlebigsten Lebensdauerkomponente. Die Analyse der PL-Unterbrechung einzelner Nanokristalle auf PVA und Siliziumoxid sowie eingebettet in PS und TPD zeigt eine Ab- bzw. Zunahme der Häufigkeit langer An- bzw. Aus-Zeiten und somit eine deutliche Abhängigkeit der PL-Unterbrechung von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung. Bei Variation der Anregungsleistung zeigt sich für einzelne Nanokristalle auf Siliziumoxid und eingebettet in TPD eine lineare Zunahme der Blinkaktivität und eine Abnahme des An-Zeit-Anteils. Die Änderung der Verteilungen der An- und Aus-Zeiten zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Matrix. Die Untersuchung der optischen Absorption von aufgedampften MePTCDI- und Cl4MePTCDI-Filmen zeigt eine Verschiebung des energieärmsten optischen Überganges mit wachsender mittlere Filmdicke. Es wird ein (geometrisches) Schicht-Modell vorgestellt, das die energetische Verschiebung mit der mittleren Filmdicke korreliert und dabei die kristalline, nadelförmige Morphologie von MePTCDIFilmen und die amorphe Kugelkappen-Struktur von Cl4MePTCDI-Filmen berücksichtigt. Die Oberfläche von Hybridfilmen aus PMMA mit Siliziumoxid-Partikeln wird durch Anbindung von R6G an die Oxid-Partikel gezielt funktionalisiert. Die Ergebnisse von fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen zeigen, dass dadurch der Anteil der freien Oxid-Oberfläche bestimmt werden kann.

Diese Arbeit untersucht die Photo-Lumineszenz (PL)-Unterbrechung (Blinken) einzelner in Polymer-Nanopartikeln eingebetteter CdSe/CdS Halbleiter-Nanokristalle (Quantenpunkte) im Einfluss elektrischer Gleich- und Wechselfelder mittels Weitfeld-Mikroskopie. Hierbei emittieren die einzelnen Quantenpunkte trotz kontinuierlicher Anregung mit einer zwischen hellen An- und dunklen Aus-Zuständen variierenden PL-Intensität. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamik dieses Blinkens durch Wechselfelder stark beeinflusst wird und von deren Feldstärke, teilweise auch deren Feldfrequenz abhängt. Für zunehmende Feldstärken lässt sich ein schnellerer Wechsel zwischen An- und Aus-Zuständen (erhöhte Blinkfrequenz) beobachten, der von einer reduzierten Häufigkeit langer An- und Aus-Ereignisse begleitet wird. Der Verlauf der An-Zeit-Verteilungen bei kleinen Zeiten wird zunehmend (monoton) flacher, während die Verteilungen der Aus-Zeiten zunächst ebenfalls einem analogen Trend folgen, ab einer bestimmten und von der Feldfrequenz abhängenden Feldstärke jedoch wieder steiler verlaufen. Ein solcher Monotonie-Wechsel in der Blinkdynamik im Fall einer gleichbleibenden Variation einer äußeren Bedingung wurde bei Halbleiter-Nanokristallen so erstmalig beobachtet. Für Gleichfelder zeigen sich hingegen nahezu keine Auswirkungen. Lediglich die An-Zeit-Verteilungen sowie die Blinkfrequenz im Fall hoher Feldstärken werden modifiziert. Die Ergebnisse werden im Kontext verschiedener aktueller Modelle zur PL-Unterbrechung wie dem trapping-Modell, dem self-trapping-Mechanismus oder dem Modell multipler Rekombinationszentren diskutiert und diese entsprechend erweitert. Dabei stehen die dielektrischen Eigenschaften und die Relaxationsdynamik der lokalen Quantenpunkt-Umgebung im Mittelpunkt, deren Reaktion auf die externen Felder durch eine zeitabhängige Ausrichtung permanenter Dipole beschrieben werden kann.

Diese Arbeit untersucht die Photo-Lumineszenz (PL)-Unterbrechung (Blinken) einzelner in Polymer-Nanopartikeln eingebetteter CdSe/CdS Halbleiter-Nanokristalle (Quantenpunkte) im Einfluss elektrischer Gleich- und Wechselfelder mittels Weitfeld-Mikroskopie. Hierbei emittieren die einzelnen Quantenpunkte trotz kontinuierlicher Anregung mit einer zwischen hellen An- und dunklen Aus-Zuständen variierenden PL-Intensität. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamik dieses Blinkens durch Wechselfelder stark beeinflusst wird und von deren Feldstärke, teilweise auch deren Feldfrequenz abhängt. Für zunehmende Feldstärken lässt sich ein schnellerer Wechsel zwischen An- und Aus-Zuständen (erhöhte Blinkfrequenz) beobachten, der von einer reduzierten Häufigkeit langer An- und Aus-Ereignisse begleitet wird. Der Verlauf der An-Zeit-Verteilungen bei kleinen Zeiten wird zunehmend (monoton) flacher, während die Verteilungen der Aus-Zeiten zunächst ebenfalls einem analogen Trend folgen, ab einer bestimmten und von der Feldfrequenz abhängenden Feldstärke jedoch wieder steiler verlaufen. Ein solcher Monotonie-Wechsel in der Blinkdynamik im Fall einer gleichbleibenden Variation einer äußeren Bedingung wurde bei Halbleiter-Nanokristallen so erstmalig beobachtet. Für Gleichfelder zeigen sich hingegen nahezu keine Auswirkungen. Lediglich die An-Zeit-Verteilungen sowie die Blinkfrequenz im Fall hoher Feldstärken werden modifiziert. Die Ergebnisse werden im Kontext verschiedener aktueller Modelle zur PL-Unterbrechung wie dem trapping-Modell, dem self-trapping-Mechanismus oder dem Modell multipler Rekombinationszentren diskutiert und diese entsprechend erweitert. Dabei stehen die dielektrischen Eigenschaften und die Relaxationsdynamik der lokalen Quantenpunkt-Umgebung im Mittelpunkt, deren Reaktion auf die externen Felder durch eine zeitabhängige Ausrichtung permanenter Dipole beschrieben werden kann.

In dieser Arbeit wird die Abhängigkeit der Photolumineszenz (PL) von CdSe/ZnS-Nanokristallen von der Umgebung und der Einfluss der Filmdicke und -morphologie auf die optische Absorption von Farbstofffilmen untersucht sowie die Oberfläche von Hybridstrukturen durch Funktionalisierung mit Farbstoff analysiert. Untersuchungen von CdSe/ZnS-Nanokristallen in Toluol-Lösung zeigen, dass die PL-Intensität der Nanopartikel durch Zugabe des organischen Halbleiters TPD gequencht wird. Die zusätzliche Auswertung der PL-Lebensdauer verdeutlicht, dass die Abnahme (fast) vollständig durch statisches Quenchen, infolge der Abnahme der Anzahl der mittierenden Nanokristalle verursacht wird, bei einem Anstieg der langlebigsten Lebensdauerkomponente. Die Analyse der PL-Unterbrechung einzelner Nanokristalle auf PVA und Siliziumoxid sowie eingebettet in PS und TPD zeigt eine Ab- bzw. Zunahme der Häufigkeit langer An- bzw. Aus-Zeiten und somit eine deutliche Abhängigkeit der PL-Unterbrechung von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung. Bei Variation der Anregungsleistung zeigt sich für einzelne Nanokristalle auf Siliziumoxid und eingebettet in TPD eine lineare Zunahme der Blinkaktivität und eine Abnahme des An-Zeit-Anteils. Die Änderung der Verteilungen der An- und Aus-Zeiten zeigen eine deutliche Abhängigkeit von der Matrix. Die Untersuchung der optischen Absorption von aufgedampften MePTCDI- und Cl4MePTCDI-Filmen zeigt eine Verschiebung des energieärmsten optischen Überganges mit wachsender mittlere Filmdicke. Es wird ein (geometrisches) Schicht-Modell vorgestellt, das die energetische Verschiebung mit der mittleren Filmdicke korreliert und dabei die kristalline, nadelförmige Morphologie von MePTCDIFilmen und die amorphe Kugelkappen-Struktur von Cl4MePTCDI-Filmen berücksichtigt. Die Oberfläche von Hybridfilmen aus PMMA mit Siliziumoxid-Partikeln wird durch Anbindung von R6G an die Oxid-Partikel gezielt funktionalisiert. Die Ergebnisse von fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen zeigen, dass dadurch der Anteil der freien Oxid-Oberfläche bestimmt werden kann.