Charge transport and electroluminescence of lead chalcogenide nanocrystal and nanowire thin films in field-effect transistors
Final Report Abstract
Im Verlauf dieses Projektes wurden die Ladungstransport- und Lichtemissionseigenschaften von kolloidalen Bleichalkogenid-Nanodrähten und Quantenpunkten in Feldeffekttransistoren untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass PbSe-Nanodrähte fast ideal-ambipolare Strom-Spannungskurven zeigen, wenn die Ladungsträger nicht auf konventionelle Weise (über ein Gatedielektrikum aus SiO 2 ) sondern mittels ionischen Flüssigkeiten als Elektrolyt (electrolytegating) akkumuliert werden. Dieses Verhalten wird durch die hohen Ladungsträgerdichten und transparente Schottky-Barrieren hervorgerufen, die durch electrolyte-gating ermöglicht werden. Mit der Beobachtung des intrinsischen Ladungstransports in PbSe-Nanodrähten konnten theoretische Voraussagen zum Verhältnis der an/aus-Ströme in Transistoren mit ein-dimensionalen Halbleitern kleiner Bandlücke weiter untermauert werden. Die Technik des electrolyte-gating wurde erfolgreich auf dichte Filme aus PbS-Quantenpunkten angewendet. Auch diese zeigten ambipolares Verhalten und hohe Stromdichten. Zum ersten Mal konnte so ein leuchtender Transistor auf der Basis von Quantenpunkten hergestellt und untersucht werden. Die Beobachtung einer Emissionzone, deren Position im Kanal durch die Gate-Spannung bestimmt wurde, sowie die Elektrolumineszenzspektren im nahen Infrarot, die sich nicht von den Photolumineszenzspektren unterschieden, bestätigten den Transport von Elektronen und Löchern durch die 1S(e) bzw. 1S(h)-Niveaus der Quantendots und deren Rekombination zu Exzitonen und deren strahlende Relaxation. Die PbS-Quantendotfilme wurden zusätzlich in Bezug auf ihre Photolumineszenzausbeute und Photolumineszenzlebensdauer bei verschiedenen Gate-Spannungen (d.h. Ladungsträgerdichten) untersucht. Dabei wurde eine ungewöhnliche Erhöhung der Ausbeute und Verlängerung der durchschnittlichen Lebensdauer mit steigender Ladungsträgerdichte beobachtet. Ein Model wurde entwickelt, welches diese Beobachtungen mit einer Erhöhung des Anteils der Emission von Trionen (geladene Exzitonen) erklärt. Diese Ergebnisse sind von Bedeutung für andere optoelektronische Bauelemente auf der Basis von Quantendotfilmen, bei denen Ladungstransport und die Relaxation von angeregten Zuständen eine Rolle spielen, z.B. Quantendot-LEDs und Solarzellen.
Publications
- Ambipolar, low-voltage and low-hysteresis PbSe nanowire field-effect transistors by electrolyte gating. Nanoscale 2013, 5 (10), 4230-4235
Lokteva, I.; Thiemann, S.; Gannott, F.; Zaumseil, J.
(See online at https://doi.org/10.1039/c3nr33723e) - High-Mobility ZnO Nanorod Field-Effect Transistors by Self-Alignment and Electrolyte-Gating. ACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5 (5), 1656-1662
Thiemann, S.; Gruber, M.; Lokteva, I.; Hirschmann, J.; Halik, M.; Zaumseil, J.
(See online at https://doi.org/10.1021/am3026739)
