Kontrolle von Gain und Nichtlinearitäten in extrem anisotrop quantisierten Halbleitern

• Antragsteller: Dr. Alexander Achtstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324765876

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die erste Projektphase zeigte die gerichtete Emission von CdSe Nanoplättchen (NPLs) und untersuchte deren mikroskopischen Ursprung, sowie für die Zwei-Photonen-Absorption. Es wurde gezeigt, dass Exziton-Phonon-Wechselwirkung und Strain durch die Partikelgröße und die Beschichtung mit Liganden oder anderem Halbleitermaterial eingestellt werden können, was zu einer erheblichen Tunebarkeit der Emissionsenergie führt. Mittels externer elektr. Felder kann die Exciton-Bindungsenergie in CdSe NPLs und die Dipolmoment-Polarisierbarkeit in der PL-Dynamik gemessen werden. Die zweite Phase untersuchte die Skalierung von Strahlungsraten und Bindungsenergien von Exzitonen und Trionen mit der 2D-Nanopartikelgröße, sowie die relative Mobility von Exzitonen auf ihnen. Schließlich wurden die frequenzabhängigen Eigenschaften von Elektronen, Löchern, Exzitonen und Trionen auf verschiedenen 1D- und 2D-Halbleiter-Nanopartikeln untersucht. Es wurde gezeigt, dass Dephasierung und thermische Besetzung bei der Analyse von experimentellen THz-Transportdaten berücksichtigt werden muss. Der Kubo-Theorie fehlt jedoch ein zusätzlicher Mobilitätsbeitrag, der in einer auf Mastergleichungen basierenden Theorie als der Gleichgewichtsstrom identifiziert werden kann und die niederfrequente Beweglichkeit von Ladungen auf einer 1D-Domäne absenkt - ein völlig neues, quantenmechanisches Phänomen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Time-Resolved Stark Spectroscopy in CdSe Nanoplatelets: Exciton Binding Energy, Polarizability, and Field-Dependent Radiative Rates. Nano Letters, 16(10), 6576-6583.
  Scott, Riccardo; Achtstein, Alexander W.; Prudnikau, Anatol V.; Antanovich, Artsiom; Siebbeles, Laurens D. A.; Artemyev, Mikhail & Woggon, Ulrike
  
• A strain-induced exciton transition energy shift in CdSe nanoplatelets: the impact of an organic ligand shell. Nanoscale, 9(45), 18042-18053.
  Antanovich, A.; Achtstein, A. W.; Matsukovich, A.; Prudnikau, A.; Bhaskar, P.; Gurin, V.; Molinari, M. & Artemyev, M.
  
• Directed emission of CdSe nanoplatelets originating from strongly anisotropic 2D electronic structure. Nature Nanotechnology, 12(12), 1155-1160.
  Scott, Riccardo; Heckmann, Jan; Prudnikau, Anatol V.; Antanovich, Artsiom; Mikhailov, Aleksandr; Owschimikow, Nina; Artemyev, Mikhail; Climente, Juan I.; Woggon, Ulrike; Grosse, Nicolai B. & Achtstein, Alexander W.
  
• Directed Two-Photon Absorption in CdSe Nanoplatelets Revealed byk-Space Spectroscopy. Nano Letters, 17(10), 6321-6329.
  Heckmann, Jan; Scott, Riccardo; Prudnikau, Anatol V.; Antanovich, Artsiom; Owschimikow, Nina; Artemyev, Mikhail; Climente, Juan I.; Woggon, Ulrike; Grosse, Nicolai B. & Achtstein, Alexander W.
  
• Mobility and Decay Dynamics of Charge Carriers in One-Dimensional Selenium van der Waals Solid. The Journal of Physical Chemistry C, 121(34), 18917-18921.
  Bhaskar, Prashant; Achtstein, Alexander W.; Diedenhofen, Silke L. & Siebbeles, Laurens D. A.
  
• Sideband pump-probe technique resolves nonlinear modulation response of PbS/CdS quantum dots on a silicon nitride waveguide. APL Photonics, 3(1).
  Kolarczik, Mirco; Ulbrich, Christian; Geiregat, Pieter; Zhu, Yunpeng; Sagar, Laxmi Kishore; Singh, Akshay; Herzog, Bastian; Achtstein, Alexander W.; Li, Xiaoqin; van Thourhout, Dries; Hens, Zeger; Owschimikow, Nina & Woggon, Ulrike
  
• Biexciton fine structure in monolayer transition metal dichalcogenides. Nature Physics, 14(12), 1199-1204.
  Steinhoff, Alexander; Florian, Matthias; Singh, Akshay; Tran, Kha; Kolarczik, Mirco; Helmrich, Sophia; Achtstein, Alexander W.; Woggon, Ulrike; Owschimikow, Nina; Jahnke, Frank & Li, Xiaoqin
  
• Charge Mobility and Recombination Mechanisms in Tellurium van der Waals Solid. The Journal of Physical Chemistry C, 123(1), 841-847.
  Bhaskar, Prashant; Achtstein, Alexander W.; Vermeulen, Martien J. W. & Siebbeles, Laurens D. A.
  
• Exciton–phonon coupling in mono- and bilayer MoTe 2. 2D Materials, 5(4), 045007.
  Helmrich, Sophia; Schneider, Robert; Achtstein, Alexander W.; Arora, Ashish; Herzog, Bastian; de Vasconcellos, Steffen Michaelis; Kolarczik, Mirco; Schöps, Oliver; Bratschitsch, Rudolf; Woggon, Ulrike & Owschimikow, Nina
  
• Impact of Shell Growth on Recombination Dynamics and Exciton–Phonon Interaction in CdSe–CdS Core–Shell Nanoplatelets. ACS Nano, 12(9), 9476-9483.
  Achtstein, Alexander W.; Marquardt, Oliver; Scott, Riccardo; Ibrahim, Mohamed; Riedl, Thomas; Prudnikau, Anatol V.; Antanovich, Artsiom; Owschimikow, Nina; Lindner, Jörg K. N.; Artemyev, Mikhail & Woggon, Ulrike
  
• Tuning Intraband and Interband Transition Rates via Excitonic Correlation in Low-Dimensional Semiconductors. ACS Photonics, 5(9), 3680-3688.
  Planelles, Josep; Achtstein, Alexander W.; Scott, Riccardo; Owschimikow, Nina; Woggon, Ulrike & Climente, Juan I.
  
• A comparative study demonstrates strong size tunability of carrier–phonon coupling in CdSe-based 2D and 0D nanocrystals. Nanoscale, 11(9), 3958-3967.
  Scott, Riccardo; Prudnikau, Anatol V.; Antanovich, Artsiom; Christodoulou, Sotirios; Riedl, Thomas; Bertrand, Guillaume H. V.; Owschimikow, Nina; Lindner, Jörg K. N.; Hens, Zeger; Moreels, Iwan; Artemyev, Mikhail; Woggon, Ulrike & Achtstein, Alexander W.
  
• Broadband Semiconductor Light Sources Operating at 1060 nm Based on InAs:Sb/GaAs Submonolayer Quantum Dots. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 25(6), 1-10.
  Herzog, Bastian; Lingnau, Benjamin; Kolarczik, Mirco; Helmrich, Sophia; Achtstein, Alexander W.; Thommes, Kevin; Alhussein, Fuad; Quandt, David; Strittmatter, Andre; Pohl, Udo W.; Brox, Olaf; Weyers, Markus; Woggon, Ulrike; Ludge, Kathy & Owschimikow, Nina
  
• Size-dependent exciton substructure in CdSe nanoplatelets and its relation to photoluminescence dynamics. Nanoscale, 11(25), 12230-12241.
  Specht, Judith F.; Scott, Riccardo; Corona, Castro Marta; Christodoulou, Sotirios; Bertrand, Guillaume H. V.; Prudnikau, Anatol V.; Antanovich, Artsiom; Siebbeles, Laurens D. A.; Owschimikow, Nina; Moreels, Iwan; Artemyev, Mikhail; Woggon, Ulrike; Achtstein, Alexander W. & Richter, Marten
  
• Two-photon based pulse autocorrelation with CdSe nanoplatelets. Nanoscale, 11(37), 17293-17300.
  Quick, Michael T.; Owschimikow, Nina; Khan, Ali Hossain; Polovitsyn, Anatolii; Moreels, Iwan; Woggon, Ulrike & Achtstein, Alexander W.
  
• Unconventional Thermally Activated Indirect to Direct Radiative Recombination of Electrons and Holes in Tin Disulfide Two-Dimensional van der Waals Material. The Journal of Physical Chemistry C, 123(18), 11968-11973.
  Bhaskar, Prashant; Achtstein, Alexander W.; Vermeulen, Martien J. W. & Siebbeles, Laurens D. A.
  
• Tuning trion binding energy and oscillator strength in a laterally finite 2D system: CdSe nanoplatelets as a model system for trion properties. Nanoscale, 12(27), 14448-14458.
  Ayari, Sabrine; Quick, Michael T.; Owschimikow, Nina; Christodoulou, Sotirios; Bertrand, Guillaume H. V.; Artemyev, Mikhail; Moreels, Iwan; Woggon, Ulrike; Jaziri, Sihem & Achtstein, Alexander W.
  
• Electrophoretically-Deposited CdSe Quantum Dot Films for Electrochromic Displays and Smart Windows. ACS Applied Nano Materials, 4(7), 6974-6984.
  Aniskevich, Yauhen; Radchanka, Aliaksandra; Antanovich, Artsiom; Prudnikau, Anatol; Quick, Michael T.; Achtstein, Alexander W.; Jo, Jae Hyeon; Ragoisha, Genady; Artemyev, Mikhail & Streltsov, Eugene
  
• High phonon-limited mobility of charged and neutral excitons in mono- and bilayerMoTe2. 2D Materials.
  Helmrich, Sophia; Achtstein, Alexander W.; Ahmad, Hery; Kunz, Matthias; Herzog, Bastian; Schoeps, Oliver; Woggon, Ulrike & Owschimikow, Nina
  
• Phonon-Assisted Intervalley Scattering Determines Ultrafast Exciton Dynamics in MoSe2 Bilayers. Physical Review Letters, 127(15).
  Helmrich, Sophia; Sampson, Kevin; Huang, Di; Selig, Malte; Hao, Kai; Tran, Kha; Achstein, Alexander; Young, Carter; Knorr, Andreas; Malic, Ermin; Woggon, Ulrike; Owschimikow, Nina & Li, Xiaoqin
  
• Terahertz Charge Carrier Mobility in 1D and 2D Semiconductor Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry Letters, 12(32), 7688-7695.
  Quick, Michael T.; Owschimikow, Nina & Achtstein, Alexander W.
  
• Population dependence of THz charge carrier mobility and non-Drude-like behavior in short semiconductor nanowires. Nanoscale, 14(1), 19-25.
  Achtstein, Alexander W.; Owschimikow, Nina & Quick, Michael T.
  
• Quantum Nature of THz Conductivity: Excitons, Charges, and Trions in 2D Semiconductor Nanoplatelets and Implications for THz Imaging and Solar Hydrogen Generation. ACS Applied Nano Materials, 5(6), 8306-8313.
  Quick, Michael T.; Ayari, Sabrine; Owschimikow, Nina; Jaziri, Sihem & Achtstein, Alexander W.
  
• THz Response of Charge Carriers in Nanoparticles: Microscopic Master Equations Reveal an Unexplored Equilibration Current and Nonlinear Mobility Regimes. Advanced Photonics Research, 4(2).
  Quick, Michael T.; Wach, Quentin; Owschimikow, Nina & Achtstein, Alexander W.
  
• THz mobility and polarizability: impact of transformation and dephasing on the spectral response of excitons in a 2D semiconductor. Physical Chemistry Chemical Physics, 25(4), 3354-3360.
  Quick, Michael T.; Ayari, Sabrine; Owschimikow, Nina; Jaziri, Sihem & Achtstein, Alexander W.