Electrical and optical properties of individual semiconductor nanowires with diameters in the strong quantization regime
Experimental Condensed Matter Physics
Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
Final Report Abstract
Durch die Kombination von chemischer Synthese, struktureller Charakterisierung, spektroskopischer Untersuchung und theoretischer Modellierung konnten die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen eindimensionaler Halbleiterquantensysteme im Detail studiert werden. Hier wurden sowohl verschiedene II-VI-Halbleiternanodrähte untersucht, als auch komplexe Nanostäbchen aus unterschiedlichen Materialien. Für die Nanodrähte (NWs) wurden Synthesen für CdS-, CdSe- und CdTe-NWs entwickelt und dies mit einer Kombination aus Elektronenmikroskopie und Röntgenbeugung untersucht. Mithilfe von Modellrechnungen konnten bestimmte Strukturparameter wie der Anteil von Wurtzit- (W) oder Zinkblendephasen (ZB) direkt aus den Diffraktogrammen abgeleitet werden. Diese Strukturuntersuchungen bildeten die Basis für die Erklärung der spektroskopischen Experimente. Hier zeigten die bei tiefen Temperaturen erhaltenen Fluoreszenzspektren einzelner NW eine Vielzahl von Banden, deren spektrale Lage von der Dicke abhängig war und die in ihrer Intensität zeitlich fluktuierten. Über die Untersuchung derselben NWs mit der Elektronenmikroskopie konnten aus den strukturellen Parametern wie Dicke oder W/ZB-Phasen Potentialmodelle erstellt werden, die als Grundlage für quantenmechanische Modellrechnungen dienten, über welche schließlich alle Fluoreszenzbanden zugeordnet werden konnten. Weiterführende Projekte hatten die chemische Modifikation der NWs zum Inhalt, um bspw. heterogene Kern-Schale Strukturen zu erzeugen. Hier zeigten sich große Schwierigkeiten beim Schalenwachstum, da bestenfalls inhomogene, multikristalline Beschichtungen der NWs erreicht werden konnten. Auch Ionenaustauschreaktionen führten nicht zu einer homogenen Schale, sondern zu sequenziellen Domänen der unterschiedlichen Materialien. Erst durch die Verwendung einer neuartigen kolloidalen Atomlagenabscheidung (c-ALD) konnte eine homogene Beschichtung der NW erhalten werden. Sehr erfolgreich war ein sehr anwendungsorientierter Projektteil, bei dem die NWs direkt auf Substraten mit aufgebrachten Elektroden gewachsen wurden. Hier konnte die Dichte der NW Belegung sehr definiert eingestellt werden und die Strukturen zeigten ein sehr schnelle elektrische Antwort auf eine gepulste Beleuchtung, was sie hochinteressant für spezielle Anwendungen in der Detektor- oder Sensortechnologie macht. Weiterführende Arbeiten zur detaillierten Untersuchung des Photostroms an einzelnen kontaktierten NWs zeigten allerdings die ganze Komplexität solcher Experimente. Hier wurde eine Kombination von Kraft- und Konfokalmikroskopie entwickelt, mit der gleichzeitig lokal beleuchtet und die lokale Aufladung der Drähte ermittelt werden konnte. Neben experimentellen Schwierigkeiten bei der Probenpräparation, der Langzeitstabilität und durch Aufladungseffekte hat sich auch die Interpretation der Ergebnisse als äußerst komplex erwiesen, sodass diese sehr vielversprechenden Experimente zurzeit noch fortgeführt werden. Schließlich wurde eine Reihe sehr erfolgreicher spektroskopischer Studien an CdS- Halbleiternanostäbchen (rods) mit eingelagertem CdSe-Nanokristall (dot) durchgeführt. Diese Dotrods (DRs) ließen sich sehr definiert mit unterschiedlichen Längen und Dicken herstellen und konnten somit als Modellsystem für die axiale Beweglichkeit von Ladungsträgern und den Einfluss von Oberflächenladungen auf die Fluoreszenz dienen. Hier konnten wir bspw. zeigen, dass die Fluoreszenzwellenlänge maßgeblich durch die radiale Quantisierung bestimmt ist und dass die Fluoreszenzquantenausbeute bei DRs mit einer Länge > 30 nm abnimmt, da die Elektronen zunehmend im CdS-Schalenbereich strahlungslos relaxieren. Auch wurden detaillierte Tieftemperatur-Fluoreszenzexperimente durchgeführt, die eine spektrale Diffusion der Banden zeigten, welche auf den Einfluss von Oberflächenladungen und einem damit verbundenen fluktuierenden Stark-Effekt zurückgeführt wurde. Ähnlich wie bei den NW-Projekten wurden zur Interpretation der experimentellen Befunde quantenmechanische Modellrechnungen auf Basis der effektiven-Massen-Näherung herangezogen. Auch hier wurden die Potentiallandschaften über Materialparameter (Bandlücken), strukturelle Parameter (Länge, Dicke, kristallografische Phase), elektronische Parameter (positive bzw. negative Punktladungen) oder auch Bandverbiegungen aufgrund von Gitterverspannungen angepasst.
Publications
- Quantum-Confined Emission and Fluorescence Blinking of Individual Exciton Complexes in CdSe Nanowires, Nano Letters 14, 6655-6659 (2014)
Dennis Franz, Aina Reich, Christian Strelow, Zhe Wang, Andreas Kornowski, Tobias Kipp, Alf Mews
(See online at https://doi.org/10.1021/nl503331t) - Solution-Grown Nanowire Devices for Sensitive and Fast Photodetection, ACS Applied Materials & Interfaces 7, 12184-12192 (2015)
Alexander Littig, Hauke Lehmann, Christian Klinke, Tobias Kipp, Alf Mews
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.5b02547) - Surface Charges on CdSe-Dot/CdS-Rod Nanocrystals: Measuring and Modeling the Diffusion of Exciton-Fluorescence Rates and Energies, ACS Nano 11, 12185-12192 (2017)
Sven-Hendrik Lohmann, Christian Strelow, Alf Mews, Tobias Kipp
(See online at https://doi.org/10.1021/acsnano.7b05303) - Laser-induced charge separation in organic nanofibers: A joint experimental and theoretical investigation, Organic Electronics 53, 20-25 (2018)
Luciana Tavares, Yiming Liu, Dino Behn, Jan Siebels, Tobias Kipp, Alf Mews, Jakob Kjelstrup-Hansen
(See online at https://doi.org/10.1016/j.orgel.2017.10.032) - Fluorescence Quantum Yield and Single-Particle Emission of CdSe-Dot/CdS-Rod Nanocrystals, Journal of Physical Chemistry C 123, 24338-24346 (2019)
Alexandra Hinsch, Sven-Hendrik Lohmann, Christian Strelow, Tobias Kipp, Christian Würth, Daniel Geißler, Andreas Kornowski, Christopher Wolter, Horst Weller, Ute Resch-Genger, Alf Mews
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07957) - Influence of Interface-Driven Strain on the Spectral Diffusion Properties of Core/Shell CdSe/CdS Dot/Rod Nanoparticles, Journal of Physical Chemistry C 123, 5099-5109 (2019)
Sven-Hendrik Lohmann, Philip Harder, Felix Bourier, Christian Strelow, Alf Mews, Tobias Kipp
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b12253)
