Plasmon-Exziton-Nanostrukturen auf der Grundlage von 2D-Halbleiter-Nanokristallen für die Nahinfrarot-Photonik

• Antragsteller: Dr. Vladimir Lesnyak
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516659368

In diesem Projekt werden wir neuartige hybride plasmonisch-exzitonische Nanostrukturen entwickeln, die im Nahinfrarotbereich (NIR) aktiv sind. Als Materialplattform für die Herstellung dieser Verbundstrukturen wählen wir zweidimensionale (2D) Nanokristalle aus Kupferchalcogenid (Cu2-xA, wobei x = 0-1 und A = S, Se oder Te). Unsere Wahl stützt sich auf den Polymorphismus von Cu2-xA, der eine Reihe verschiedener Stöchiometrien aufweist, die sich an verschiedene Kristallphasen anpassen, sowie auf die Möglichkeit, diese Nanokristalle durch Kationenaustausch chemisch umzuwandeln.Das Projekt umfasst die folgenden zwei Hauptteile: 1) Entwicklung einer direkten kolloidalen Synthese von 2D-Halbleiter-Cu2-xA-Nanomaterialien mit gut kontrollierten Abmessungen und Kristallstruktur und deren chemische Umwandlung durch Kationenaustauschreaktionen in 2D-Halbleiter-Metallchalkogenide wie CdA, PbA, HgA und Ag2A, einschließlich ihrer Heterostrukturen; 2) Herstellung von fluoreszierend-plasmonischen Verbundmaterialien in Form planarer Schichtaufbauten und Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen den Schichten mit Hilfe fortgeschrittener optischer Spektroskopietechniken. Der Grad der Manipulation der Zusammensetzung und der Struktur der 2D-Materialien, die im Rahmen dieses Projekts angestrebt werden, wird weit über die bestehenden modernen Methoden für ihre direkte nasschemische Synthese sowie die chemische Abscheidung aus der Gasphase oder die Exfoliation hinausgehen. Die Kontrolle ihrer Struktur und Zusammensetzung ist ein Schlüssel zur präzisen Gestaltung ihrer optoelektronischen Eigenschaften. Aus praktischer Sicht ist die Kombination von Halbleiter-Nanokristallen mit hohen Absorptionskoeffizienten und hohen Photolumineszenz-Quantenausbeuten mit Nanopartikeln mit starker Plasmonenresonanz vielversprechend für die Verbesserung der Effizienz optoelektronischer Geräte. Ein solches Konzept ist von großer Bedeutung für den NIR-Bereich, in dem eine hohe Effizienz nur schwer zu erreichen ist.Der Mangel an synthetischen Protokollen für die Synthese von NIR-aktiven Kupfer-, Blei-, Quecksilber- und Silberchalkogenid-2D-Nanomaterialien einerseits und praktisch noch nicht untersuchte Wechselwirkungen zwischen plasmonischen und exzitonischen Strukturen im NIR-Bereich andererseits motivieren uns, diese Ziele zu verfolgen. Der Arbeitsplan des Projekts ist einem Doktoranden zugewiesen, der von zwei studentischen Hilfskräften unterstützt wird.Es wird erwartet, dass diese Arbeit nicht nur Auswirkungen auf die Grundlagen der Chemie von kolloidalen 2D-Halbleiternanomaterialien und deren Synthesemethoden haben wird, sondern auch eine Reihe verschiedener Materialien mit einem klar definierten Anwendungspotenzial bereitstellt. Die daraus resultierenden Materialien und Strukturen mit einstellbaren photophysikalischen Eigenschaften werden vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in Solarzellen, Strahlungsbündlern, LEDs und Photodetektoren sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: NIR Photodetektor
• Gerätegruppe: 5800 Photodetektoren, -zellen, -widerstände für UV-VIS