Umwelt-freundliche 0D/2D-Nanokomposite für Breitband-UV-Vis-NIR-Photodetektoren

• Antragsteller: Professor Dr. Dietrich R. T. Zahn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424154386

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die größenabhängigen optischen und elektronischen Eigenschaften von niedrigdimensionalen Halbleitern begründen das zunehmende Interesse an ihren photochemischen und photophysikalischen Anwendungen als Photokatalysatoren, fluoreszierende Biomarkern oder in photovoltaischen und optoelektronischen Bauelementen. In diesem Projekt wurden 0D-Materialien (Quantenpunkte - QDs) und 2D-Materialien hergestellt, untersucht und kombiniert, um das Potenzial des Komposit-Materials für Breitband-Photodetektoren zu evaluieren. Im Rahmen des Projekts haben wir neue zuverlässige Protokolle für die Synthese von ternären und quaternären Mehrkomponenten-Ag(Cu)-In-Se, Ag(Cu)-In-S, Ag-Ga-S und anderen QDs durch umweltfreundliche ("grüne") kolloidale Synthese unter milden Bedingungen mit biokompatiblen Glutathion-Liganden und Wasser als Lösungsmittel entwickelt, wobei toxische Metalle vermieden werden. Die erhaltenen QDs zeigen Absorption und starke Photolumineszenz (PL) hauptsächlich im sichtbaren Bereich, was auf Quantum Confinement-Effekte zurückzuführen ist. Eine Änderung der Zusammensetzung der QDs ergab das interessante Phänomen des Band Bowings für gemischte Ag(Cu)-In-Chalkogenide und der Verspannung für Ag-Ga-S, die beide den Einsatz der Absorption in den nahen Infrarotbereich (NIR) verschieben. Multikomponenten-Ag(Cu)-In-Selenide zeigen breitbandige PL, die dem von Sulfiden ähnelt, was auf den gleichen Ursprung der PL hinweist und offenbar auf self-trapped Exzitonen zurückzuführen ist. Das in flüssiger Phase exfolierte 2D-Material Graphitkohlenstoffnitrid (g-C3N4) zeigte eine hellblaue PL, die sich von der typischen Photolumineszenz der mehrkomponentigen Ag(Cu)-In- Chalkogenid-QDs mit grüner, gelber oder roter Farbe unterscheidet. 2D g-C3N4-Flocken in dünnen Schichten auf Substraten zeigen geordnete Strukturen mit paralleler Stapelung zueinander und bezüglich des Substrats. Der in dünnen Schichten beobachtete geringe Photorespons von g-C3N4-basierten Strukturen wird auf die extrem schwachen Ladungstransporteigenschaften zurückgeführt, die sowohl im Dunkeln als auch unter Beleuchtung gemessen werden. Das Konzept der 2D/0D-Bauelemente bleibt jedoch sinnvoll, wenn QDs mit hohen Absorptionskoeffizienten mit 2D-Materialien mit guten Transporteigenschaften kombiniert werden. Hier zeigte eine planare Struktur von Ag-In-S-QDs mit kristallinen Flocken aus zwei-lagigem MoS2 eine Empfindlichkeit in der Größenordnung von einigen zehn A/W im sichtbaren Bereich (z.B. ~15 A/W bei ~1,95 eV im exzitonischen Maximum der Ag-In-S-QDs) mit einem Einsatz nahe dem NIR bei ~1,7-1,8 eV. Dieses Beispiel zeigt verdeutlicht das Potenzial der breitbandigen 2D/0D-Photodetektoren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Composition-Dependent Optical Band Bowing, Vibrational, and Photochemical Behavior of Aqueous Glutathione-Capped (Cu, Ag)–In–S Quantum Dots. The Journal of Physical Chemistry C, 124(35), 19375-19388.
  Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr; Azhniuk, Yuriy; Solonenko, Dmytro; Barabash, Anastasia; Brabec, Christoph J. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Graphitic carbon nitride nanotubes: a new material for emerging applications. RSC Advances, 10(56), 34059-34087.
  Stroyuk, Oleksandr; Raievska, Oleksandra & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Phonon Spectra of Strongly Luminescent Nonstoichiometric Ag–In–S, Cu–In–S, and Hg–In–S Nanocrystals of Small Size. The Journal of Physical Chemistry C, 124(28), 15511-15522.
  Dzhagan, Volodymyr; Selyshchev, Oleksandr; Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr; Hertling, Lukas; Mazur, Nazar; Valakh, Mykhailo Ya. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Raman and X-ray Photoemission Identification of Colloidal Metal Sulfides as Potential Secondary Phases in Nanocrystalline Cu2ZnSnS4 Photovoltaic Absorbers. ACS Applied Nano Materials, 3(6), 5706-5717.
  Selyshchev, Oleksandr; Havryliuk, Yevhenii; Valakh, Mykhailo Ya.; Yukhymchuk, Volodymyr O.; Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr L.; Dzhagan, Volodymyr & Zahn, Dietrich R.T.
  
• Ultra-small aqueous glutathione-capped Ag–In–Se quantum dots: luminescence and vibrational properties. RSC Advances, 10(69), 42178-42193.
  Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr; Dzhagan, Volodymyr; Solonenko, Dmytro & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Effect of pH and Polyelectrolytes on the Spectral-Kinetic Properties of AIS/ZnS Semiconductor Quantum Dots in Aqueous Solutions. Journal of Applied Spectroscopy, 87(6), 1057-1066.
  Motevich, I. G.; Zenkevich, E. I.; Stroyuk, A. L.; Raevskaya, A. E.; Kulikova, O. M.; Sheinin, V. B.; Koifman, О. I.; Zahn, D. R. T. & Strekal, N. D.
  
• High-Throughput Time-Resolved Photoluminescence Study of Composition-and Size-Selected Aqueous Ag–In–S Quantum Dots. The Journal of Physical Chemistry C, 125(22), 12185-12197.
  Stroyuk, Oleksandr; Raievska, Oleksandra; Kupfer, Christian; Solonenko, Dmytro; Osvet, Andres; Batentschuk, Miroslaw; Brabec, Christoph J. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• High‐Throughput Robotic Synthesis and Photoluminescence Characterization of Aqueous Multinary Copper–Silver Indium Chalcogenide Quantum Dots. Particle & Particle Systems Characterization, 38(10).
  Stroyuk, Oleksandr; Raievska, Oleksandra; Langner, Stefan; Kupfer, Christian; Barabash, Anastasia; Solonenko, Dmytro; Azhniuk, Yuriy; Hauch, Jens; Osvet, Andres; Batentschuk, Miroslaw; Zahn, Dietrich R. T. & Brabec, Christoph J.
  
• Raman and X-ray Photoelectron Spectroscopic Study of Aqueous Thiol-Capped Ag-Zn-Sn-S Nanocrystals. Materials, 14(13), 3593.
  Dzhagan, Volodymyr; Selyshchev, Oleksandr; Havryliuk, Yevhenii; Mazur, Nazar; Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr; Kondratenko, Serhiy; Litvinchuk, Alexander P.; Valakh, Mykhailo Ya. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Room-Temperature Electron Paramagnetic Resonance Study of a Copper-Related Defect in Cu2ZnSnS4 Colloidal Nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C, 125(18), 9923-9929.
  Vorona, Igor; Dzhagan, Volodymyr; Nosenko, Valentyna; Kondratenko, Serhiy; Selyshchev, Oleksandr; Valakh, Mykhailo; Okulov, Serhiy; Mazur, Nazar; Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr L. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Single-layer carbon nitride: synthesis, structure, photophysical/photochemical properties, and applications. Physical Chemistry Chemical Physics, 23(37), 20745-20764.
  Stroyuk, Oleksandr; Raievska, Oleksandra & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Spontaneous alloying of ultrasmall non-stoichiometric Ag–In–S and Cu–In–S quantum dots in aqueous colloidal solutions. RSC Advances, 11(34), 21145-21152.
  Stroyuk, Oleksandr; Raievska, Oleksandra; Solonenko, Dmytro; Kupfer, Christian; Osvet, Andres; Batentschuk, Miroslaw; Brabec, Christoph J. & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Copper-Content Dependent Structural and Electrical Properties of CZTS Films Formed by “Green” Colloidal Nanocrystals. Electronic Materials, 3(1), 136-153.
  Dzhagan, Volodymyr; Selyshchev, Oleksandr; Kondratenko, Serhiy; Mazur, Nazar; Havryliuk, Yevhenii; Raievska, Oleksandra; Stroyuk, Oleksandr & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Optical and Structural Characteristics of Rare Earth-Doped ZnO Nanocrystals Prepared in Colloidal Solution. Photochem, 2(3), 515-527.
  Toma, Maria; Selyshchev, Oleksandr; Havryliuk, Yevhenii; Pop, Aurel & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Raman Spectroscopy and Thermoelectric Characterization of Composite Thin Films of Cu2ZnSnS4 Nanocrystals Embedded in a Conductive Polymer PEDOT:PSS. Nanomaterials, 13(1), 41.
  Havryliuk, Yevhenii; Dzhagan, Volodymyr; Karnaukhov, Anatolii; Selyshchev, Oleksandr; Hann, Julia & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Self-assembly of colloidal single-layer carbon nitride. Nanoscale, 14(34), 12347-12357.
  Stroyuk, Oleksandr; Raievska, Oleksandra; Brabec, Christoph J.; Dzhagan, Volodymyr; Havryliuk, Yevhenii & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Synthesis and Optical Properties of Ag–Ga–S Quantum Dots. physica status solidi (b), 259(10).
  Azhniuk, Yuriy; Lopushanska, Bohdana; Selyshchev, Oleksandr; Havryliuk, Yevhenii; Pogodin, Artem; Kokhan, Oleksandr; Ehm, Alexander; Lopushansky, Vasyl; Studenyak, Ihor & Zahn, Dietrich R.T.
  
• Core and Shell Contributions to the Phonon Spectra of CdTe/CdS Quantum Dots. Nanomaterials, 13(5), 921.
  Dzhagan, Volodymyr; Mazur, Nazar; Kapush, Olga; Selyshchev, Oleksandr; Karnaukhov, Anatolii; Yeshchenko, Oleg A.; Danylenko, Mykola I.; Yukhymchuk, Volodymyr & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Enhanced photoconductivity of hybrid 2D-QD MoS2–AgInS2 structures. The Journal of Chemical Physics, 159(4).
  Kondratenko, Serhiy; Datsenko, Oleksandr I.; Babich, Danylo; Dzhagan, Volodymyr; Pan, Yang; Rahaman, Mahfujur; Selyshchev, Oleksandr & Zahn, Dietrich R. T.
  
• Influence of Thermal and Flash-Lamp Annealing on the Thermoelectrical Properties of Cu2ZnSnS4 Nanocrystals Obtained by “Green” Colloidal Synthesis. Nanomaterials, 13(11), 1775.
  Havryliuk, Yevhenii; Dzhagan, Volodymyr; Karnaukhov, Anatolii; Selyshchev, Oleksandr; Hann, Julia & Zahn, Dietrich R. T.