Die elektrische Anregung von Isolatoren im Nanomaßstab war bis gestern eine fast unmögliche Mission: Materialien mit großer Bandlücke erfordern extreme Bedingungen, weshalb sich Forscher hauptsächlich auf optische Anregung stützten. Eine neue Generation von mit Lanthanoiden dotierten isolierenden Nanopartikeln (LnNP) erhält nun jedoch einen völlig anderen „Schalter“: molekulare Tripletts auf organischen Liganden, die Energie an Lanthanoid-Ionen übertragen und so eine sehr reine, schmalbandige Emission im zweiten nahen Infrarotfenster (NIR-II, 1000–1700 nm) einschalten. Der entscheidende Fortschritt ist die Demonstration von Elektrolumineszenz (EL) aus diesen Isolationssystemen bei niedrigen Spannungen, was den Weg zu Hybrid-LEDs und langfristig zu elektrisch gepumpten Lasern für Biomedizin, Optogenetik und Kommunikation ebnet.

Warum Lanthanoid-Nanopartikel besonders sind – und warum sie „nicht einschaltbar“ waren

LnNP bestehen aus einem dielektrischen, isolierenden Wirt (typischerweise Fluoride wie NaGdF₄, NaYF₄ oder NaLuF₄) mit eingebauten Lanthanoid-Ionen (Nd³⁺, Yb³⁺, Er³⁺ u.a.). Ein solches System bietet außergewöhnliche chemische und Photostabilität sowie sehr schmale und abstimmbare Emissionslinien im NIR-II-Bereich, im Gegensatz zu organischen Farbstoffen und kolloidalen Quantenpunkten, deren Spektren aufgrund homogener Verbreiterung breit sind. Genau diese Schmalbandigkeit und Stabilität machen LnNP attraktiv für tiefgehende Bildgebungslösungen, präzise Spektroskopie und optische Verbindungen mit hoher Kanaldichte.

Das Problem ist, dass LnNP – Isolatoren sind. Eine breite Bandlücke (~8 eV) verhindert die standardmäßige elektrische Ladungsinjektion wie in Halbleitern, sodass es bis vor kurzem keinen Weg gab, daraus direkt EL unter niedrigen Spannungen abzuleiten. Während Quantenpunkte, Perowskite oder organische Halbleiter routinemäßig in LED-Strukturen arbeiten, blieben LnNP ohne zusätzliche Tricks „nur-Optik“.

Triplett-vermittelte Anregung: organische Liganden als Antennen

Die entscheidende Wende kommt durch die Verbindung von LnNP mit ausgewählten organischen Molekülen, die Triplett-Anregungen erzeugen und Energie an die f-f-Übergänge der Lanthanoide übertragen. In der Praxis ersetzen Forscher teilweise die übliche Ölsäure (OA) auf der Oberfläche der Nanopartikel durch den Liganden 9-Anthracencarbonsäure (9-ACA). Auf dem organischen Teil entstehen nach elektrischer Injektion Singuletts und Tripletts im Verhältnis 1:3 (Spin-Statistik). Die Tripletts von 9-ACA übertragen dann Energie auf die Ionenniveaus von Nd³⁺, Yb³⁺ und Er³⁺ durch den Mechanismus des Dexter-Transfers (TET, Triplett-Energietransfer) auf sehr kurzen Distanzen. Da das Triplett auf 9-ACA langlebig ist (Hunderte von Mikrosekunden) und der TET in Mikrosekunden stattfindet, ist der Transfer äußerst effizient, mit wenigen konkurrierenden Prozessen.

Experimentell erhält man durch die Bindung von 9-ACA an LnNP eine starke UV-Absorption, geerbt vom Molekül, sowie eine mehrfach verstärkte NIR-II-Photolumineszenz (z.B. ~6,6× für Nd, ~34× für Yb, ~24× für Er unter 350 nm Anregung). Dabei deuten FTIR-Spektroskopie und DFT-Simulationen darauf hin, dass 9-ACA bevorzugt an Ln³⁺-Stellen koordiniert (im Gegensatz zu OA, die auch an Na⁺ bindet), was die energetische Kopplung Ligand–Ion zusätzlich begünstigt.

Erste LnLEDs: Struktur, Betrieb und spektrale Merkmale

Wie sieht das Gerät aus? Eine typische Architektur ist Glas/ITO/PEDOT:PSS/poly-TPD/LnNP@9-ACA/TmPyPB/LiF/Al. ITO und LiF/Al sind Elektroden; PEDOT:PSS erleichtert die Lochinjektion, poly-TPD und TmPyPB dienen als HTL und ETL, und das Hybrid LnNP@9-ACA bildet die Emissionsschicht. Elektronen und Löcher rekombinieren primär auf 9-ACA und erzeugen Singuletts und Tripletts; letztere übertragen Energie mit sehr hoher Effizienz an die ionischen Niveaus der Lanthanoide, die dann im NIR-II-Bereich emittieren.

Die gemessene EL zeigt extrem schmale Banden: Beispielsweise betragen die Halbwertsbreiten (FWHM) ungefähr 20 nm (Nd), 43 nm (Yb) und 55 nm (Er) – vielfach schmaler als typische NIR-Systeme auf Basis von Quantenpunkten (oft >150 nm). Die Spitzenwellenlängen sind um ~1058 nm (Nd), ~976 nm (Yb) und ~1533 nm (Er) zentriert, ohne Verschiebung durch Spannung. Geräte schalten sich bereits bei ungefähr 5 V ein und vertragen auch höhere Spannungen (>15 V), was darauf zurückgeführt wird, dass die meisten energiereichen Tripletts in der Organik auf robuste 4f-Niveaus der Lanthanoide „abgeleitet“ werden, wodurch die für die organische Komponente typische Degradation gemildert wird.

Beweise für Triplett-Transfer: Dynamik und Sauerstoff als „Löscher“

Kinetische Experimente bestätigen das Szenario zusätzlich. Gebundenes 9-ACA zeigt eine verkürzte Singulett-Lebensdauer (von ~12,4 ns auf <5 ns, abhängig vom Ln), was auf einen beschleunigten Interkombinationsübergang (ISC) hinweist, induziert durch die Nähe von Ionen mit ungepaartem Spin. Transiente Absorption misst einen schnellen Anstieg des Triplett-Signals (≈1,4–1,9 ns) und dessen deutlich schnelleren Zerfall als in reinem 9-ACA, was eine direkte Folge des TET auf die Niveaus 2F_5/2 (Yb), 4F_3/2 (Nd) und 4I_11/2 (Er) ist. Unter Luftbedingungen wird die Photolumineszenz im NIR aufgrund von Sauerstoff stark gelöscht (≈50% und mehr), was eine typische Signatur der Triplett-Löschung und eine zusätzliche Bestätigung ist, dass TET der dominante Kanal ist.

Von Photonen zu Strom: der Unterschied zwischen Photo- und Elektro-Anregung

Im Vergleich von PL- und EL-Spektren sieht man, dass sich die Verhältnisse einzelner Banden unterscheiden, was unterschiedliche Wege der Energieübertragung bei Photo- und Elektro-Anregung impliziert. Bei elektrischer Anregung findet die Rekombination auf 9-ACA in einer dünnen organisch-anorganischen monomolekularen Schicht statt, sodass Oberflächenionen eine bevorzugte Rolle bei der Aufnahme von Triplett-Energie spielen können. Dies erklärt auch Spuren sichtbarer EL: Die blaue Komponente entsteht in poly-TPD und die rote an der Grenzfläche HTL/ETL an Stellen, wo die Hybridschicht nicht ideal homogen ist – was Verlustkanäle und Optimierungsziele der nächsten Gerätegeneration sind.

Wie man die Effizienz steigert: Kern–Schale, Leckageblockierung und Lichtextraktion

Die ersten LnLEDs erreichen eine NIR EQE im Bereich von ungefähr 0,004–0,04% (Er–Yb), und durch Verwendung eines Kern–Schale-Designs Yb@Nd, optimierter Transportschichten mit stärkerer Elektronen-/Lochblockierung und Mikrolinsen zur Lichtextraktion übersteigt die Spitzen-EQE ~0,6% im NIR-II-Bereich. Obwohl dies noch weit von den besten QD-LEDs im Sichtbaren entfernt ist, muss man bedenken, dass es sich hier um einen isolierenden Wirt mit Seltenerd-Ionen handelt und dass es sich um die erste Generation von Geräten handelt. Hauptbremsen sind: (i) begrenzte PLQE hochdotierter Kerne ohne Schale, (ii) Ladungsleckage durch die emittierende Monoschicht und Rekombination in Transportschichten sowie (iii) schlechte Extraktion von NIR-II-Licht aus dem Dünnfilm.

Verbesserungsstrategien umfassen dediziertes Ligandendesign mit höherem OA-Austausch (derzeit <10% der Plätze durch 9-ACA bedeckt, abhängig von der Ionenart), mehrschichtige Emitterstrukturen anstelle einer Monoschicht, verstärkte Elektronen-/Lochblockierung sowie die Verwendung optischer Extraktionselemente (Mikrolinsen, texturierte Substrate). Auf Emitterebene wird die Erhöhung der PLQE durch Optimierung der Dotierungskonzentration, Art und Größe der Partikel entscheidend sein; die Literatur kennt bereits Beispiele von Er³⁺ mit PLQE >50% bei 1530 nm, was realen Raum für EQE-Wachstum suggeriert.

Wo LnLEDs glänzen: NIR-II als Fenster für Gewebe und Daten

Das NIR-II-Fenster bietet tiefere Penetration durch biologische Gewebe, geringere Streuung und weniger Autofluoreszenzrauschen. Dies macht Quellen mit schmalen Linien und abstimmbarer Spitzenposition extrem wünschenswert für nicht-invasive Diagnostik, intraoperative Navigation, photothermische Therapie und Echtzeit-Überwachung der Pharmakokinetik. Die hohe spektrale Reinheit von LnLEDs kann die Kanalüberlappung in mehrkanaligen (Multiplex) Messungen verringern, während die Materialstabilität den Weg zu sterilisierbaren, langlebigen Sonden und flexiblen Oberflächenemittern für tragbare Geräte ebnet.

Ein weiterer großer Bereich ist die optische Kommunikation. Schmalere Bänder und elektrische Abstimmung der Dotierungskombination ermöglichen das „Springen“ über Kanäle mit minimalem Übersprechen, während organische Verarbeitung und Niederspannungsbetrieb potenziell günstigere Quellen für kurzreichweitige und integrierte photonische Verbindungen suggerieren, einschließlich Kommunikation durch trübe Umgebungen (Nebel, Rauch, streuende Medien).

Vergleich mit Konkurrenzplattformen

• Quantenpunkte (QD): exzellente Effizienz und einfache elektrische Adressierung, aber im NIR-II-Bereich behalten sie meist breite Emissionen (>150 nm FWHM), was die spektrale Kanaldichte und präzise Spektroskopie begrenzt.


• Perowskite: hohe Leistung im Sichtbaren und nahen IR, aber Stabilität und Anwesenheit von Blei bleiben Herausforderungen, besonders für biomedizinische Anwendungen. Im NIR-II-Bereich sehr schmale Linien zu erreichen, ist noch schwieriger.


• Organische Emitter: leicht verarbeitbar, aber Triplett-Deaktivierungen und breite Bänder begrenzen oft die Leistung über 1000 nm.


• LnLED-Hybride: derzeit niedrigere EQE, aber völlig einzigartige Schmalbandigkeit, Emissionsabstimmung nur durch Ionenaustausch sowie Potenzial für robusten Betrieb bei höheren Spannungen dank Triplett-„Abfluss“ auf 4f-Niveaus.

Materialien und Nanoarchitektur: was entscheidend ist

Effizienter TET erfordert: (1) großen spektroskopischen Überlapp zwischen der Triplett-Phosphoreszenz des Liganden (9-ACA umfasst ungefähr 1,3–1,9 eV) und den Absorptionsbanden von Ln³⁺; (2) kurzen Donor–Akzeptor-Abstand (erreicht durch Chemisorption von 9-ACA an Ln³⁺-Stellen); (3) ausreichend lange Triplett-Dauer (≥100 µs), deutlich länger als mikrosekundenlange TET-Zeiten; (4) inerte Umgebung oder Schutz vor Sauerstoff für Photolumineszenzmessungen. Auch Kern–Schale-Architekturen (z.B. Yb@Nd) können Absorptions- und Emissionsstellen trennen, Rücktransfer und Löschung verringern sowie die PLQE erhöhen.

Elektronisches Gerätedesign: Ladungsbalance und Blockaden

Um die EL zu erhöhen, ist es notwendig, Elektronen- und Lochinjektion in 9-ACA auszugleichen, Leckage zum HTL zu minimieren und unerwünschte Rekombination in Transportschichten zu unterdrücken. Verbesserte HTL mit besserer Lochinjektion und stärkerer Elektronenblockierung sowie optimierte ETL mit entsprechenden Austrittsarbeiten und Niveauanpassung erhöhen nachweislich die EQE. Optimierung der Schichtdicken und des Indexkontrasts erhöht wiederum die NIR-II-Lichtextraktion, was in Dünnfilmen ein oft vernachlässigter Verlust ist.

Das größere Bild: Konvergenz zweier Welten

Konzeptionell verbinden LnLEDs das Beste aus zwei Welten: Organik, die Exzitonen erzeugt und kontrolliert, und anorganische ionische Zentren, deren 4f-Niveaus mit atomar schmalen Linien emittieren. Genau diese Konvergenz – Triplett-vermittelter Transfer zu 4f-Emittern – zeigt, wie „dunkle“ Zustände in der Organik zu nützlicher Energiewährung für das Einschalten von Isolatoren werden. Vergleichsweise demonstrieren andere Teams auch alternative Ansätze elektrogenerierter Exzitonen in Lanthanoid-Nanokristallen mit betonter spektraler Reinheit und Abstimmbarkeit, womit bestätigt wird, dass NIR-II-Lanthanoid-Quellen in eine neue, elektrisch adressierbare Phase eintreten.

Vom Labor zur Anwendung: was folgt

Um den Weg zu praktischen NIR-II-Quellen für medizinische Geräte, endoskopische Sonden oder kurzreichweitige optische Verbindungen zu öffnen, wird es nötig sein: (i) die Emitter-PLQE zu erhöhen (Ziel: Dutzende von Prozent im NIR-II), (ii) dickere, gleichmäßigere aktive Schichten ohne Hohlräume zu formen, um sichtbare EL und Leckage zu vermeiden, (iii) Liganden und Austauschmethoden zu standardisieren, um eine höhere Abdeckung als derzeit <10% zu erreichen und (iv) passive optische Elemente für effiziente Lichtextraktion zu integrieren. Angesichts des schnellen Fortschritts des Feldes drängt sich die Kombination von Kern–Schale-Design mit neuen, Triplett-freundlichen Liganden und optimierten Transportschichten als wahrscheinlichster Weg zu deutlich höheren EQE-Werten und Stabilität unter Dauerbetrieb auf.

Anmerkung zum Datum: Daten und Ergebnisse, die in diesem Artikel genannt werden, wurden am 06. Dezember 2025 überprüft, mit Verweisen auf begutachtete Arbeiten und Forschungskommunikationen, die im November und Dezember 2025 veröffentlicht wurden.