Untersuchung anisotroper Spinphänomene in dotierten Nanokristallen mittels Lumineszenz-Spektroskopie an Einzelpartikeln in einem Vektormagnetfeld

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Bacher
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435349552

Das Ziel dieses Projekts ist die Erforschung kollektiver und individueller Spinphänomene in Übergangsmetall-dotierten Nanokristallen mit definierter Kristall- und/oder Formanisotropie. Methodisch wollen wir durch Lumineszenz-Experimente an einzelnen Nanokristallen in einem Vektormagnetfeld neue Wege gehen. Als Modellsystem dienen vornehmlich Mn2+-dotierte II-VI Nanokristalle mit Zinkblende bzw. Wurtzitstruktur und angepasster Form (Quantenpunkte, Nanostäbchen).Die wissenschaftlichen Fragen lassen sich in drei Teilgebiete aufteilen. In Nanokristallen mit hoher Dotierstoffkonzentration soll der Einfluss der Anisotropie auf die Bildung exzitonischer magnetischer Polaronen studiert werden. Durch Änderung der Magnetfeldrichtung relativ zu den Anisotropieachsen des Nanokristalls soll der Polaronkomplex gezielt stabilisiert bzw. destabilisiert werden. Ziel ist es, die in der Literatur seit über einem Jahrzehnt diskutierte Hypothese eines Einflusses von Anisotropieeffekten auf die Bildung magnetischer Polaronen in Nanokristallen zu bestätigen bzw. zu widerlegen. Gleichzeitig erlaubt die Analyse der Linienbreite der optischen Übergänge erstmals statistische Spin-Fluktuationen in dotierten Einzel-Nanokristallen zu untersuchen und u.a. longitudinale und transversale Fluktuationen zu separieren. In Nanokristallen, die mit einem einzelnen Atom dotiert sind, soll der wechselseitige Einfluss von s-p und sp-d Austauschwechselwirkung auf die Feinstruktur exzitonischer Übergänge studiert werden. Dahinter steckt die fundamentale Frage, inwieweit das seit über zwei Dekaden etablierte Feinstrukturmodell exzitonischer Übergänge in Nanokristallen im Falle einer Dotierung mit einzelnen Atomen erweitert / angepasst werden muss. Die sp-d Austauschwechselwirkung führt bei geeigneter Wahl der Bandlücke dazu, dass dotierte Nanokristalle eine stark temperaturabhängige duale Emission (Bandlücke, interner 4T1 – 6A1 Übergang des Mn2+) aufweisen. In der Literatur wurden dual emittierende Nanokristalle als nanoskalige Temperatursensoren vorgeschlagen. Wir wollen diese Untersuchungen erstmals auf einzelne Nanokristalle erweitern. Wir erwarten eine erhöhte Sensitivität der dualen Emission gegenüber Temperatur und Magnetfeld aufgrund der Unterdrückung inhomogener Verbreiterungseffekte. Im Grenzfall von Nanokristallen, die mit einem Mn2+ Ion dotiert sind beobachtet man eine ausgeprägte energetische Aufspaltung der Spinzustände des Mn2+ im Austauschfeld des Exzitons. In einem solchen System wollen wir durch Untersuchung der dualen Emission als Funktion von Temperatur und Magnetfeld Rückschlüsse auf einen Spin-abhängigen Transfermechanismus ziehen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Daniel R. Gamelin