Photonische Materialien 13. Vorlesung

Transkript

1 Photonische Materialien 13. Vorlesung Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1) Lumineszenz-Label (1) Supramolekulare und biologische Systeme (1) Halbleiter Nanopartikel (2) Quanten-Well-Strukturen (1) Metallische Nanopartikel Solarzellen (1) Organische Leuchtdioden und Solarzellen (1) Flüssige Kristalle (1) Displays (1) Photonische Kristalle (1) Optisch aktive Materialien (1)

2 Photonische Kristalle Farbe Reflexion Transmission Parallelität Verlangsamung Lichtgeschwindigkeit Verstärkung Mikroresonatoren Wellenleitung Lineare Wellenleitung Ecken Dotierung Elektronische Steuerung

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13 3-Dimensionen

14 Herstellung Mechanisch Selbstorganisation Laserstrukturierung

15 Selbstorganisation

16

17

18

19 Makroporöses Silizium Punkt-Defekt Linien-Defekt

20

21 Cavities

22

23 A Linear Nonlinear Filter in out Linear response: Lorenzian Transmisson shifted peak + nonlinear index shift

24 B. Maune, M. Loncar, J. Witzens, M. Hochberg, T. Baehr-Jones, D. Psaltis, A. Scherer Applied Physics Letters 85, (2004)

25 Optisch Aktive Materialien Laser/Laserdioden Frequenzvervielfacher Wellenleiter Optische Speicher Einzelne Photonen Optische Computer

26 Laser

27 Dye Laser

28

29 Laser Kristalle Nd: YVO4 Nd: YAG Cr4+: YAG Yb: YAG Nd: YLF Cr: RUBY Ti: Sapphire Nd: YAP

30 Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) Yttrium-Aluminium-Granat (Y3Al5O12): YAG : 1064nm Bohren, Schweißen, Schneiden Medizin

31 Halbleiterlaser

32

33 Frequenzvervielfachung Dielektrisch Suszeptibilität Kaliumdihydrogenphosphat (KDP) K+

34

35

36

37

38

39 Totalreflexion Wellenleiter

40 - multi mode - single mode - Reichweite 30km

41

42 Gradientenfaser

43 Signalausbreitung

44 Verstärkung

45

46 Faserdotierung Pumpe: Halbleiterlaser Verstärkung

47 Glasfaserkabel

48

49 Optische Speicher

50 CD-Lesen

51 Photochromie

52 Optische Speichermaterialien

53 Molekulare Schalter

54

55 Spectrales Lochbrennen

56

57 SAMs lithography binding of dyes AFM Lithography Local anodic oxidation of underlying oxide Cathode Tip E = Vthreshold V21 < Vthreshold oxidation SiOx δ- Si Anode

58 SAMs lithography binding of dyes Binding of dye molecules cresyl violet Rhodamine 6G C O O N HN O NH H 2 N O NH Oxide structures negatively charged due to the oxidation process Binding of ionic dye molecules by l t t ti i t ti

59 Introduction 1 µm topographic AFM image of the fabricated oxide structure optical wide field microscope image of the same spot with dye (R6G) electrostatically bound to the oxide structure Work group seminar Thomas Baumgärtel: Nanolithography by AFM for systematic arranging of nanoaggregates

60 Optische Computer

61 Quantenbits

62

63 Diamant

64 Molekulare Materialien

65 Fluoreszenz Label: Emission von Licht

66 Biologische Materialien

67 Selbstorganisierende Materialien

68

69 Halbleiter-Quantendots Introduction E Bulk 3D E 1/2 Quantum dot 0D E N(E) N(E) Core/shell QD Optical tunability Increased quantum efficiency Extended semiconductor Continum of electron energies Quantum Dot Discrete electronic energies E h 2 π = s1 s E g R 2 m * m * e h e 2 ε 2 R + Small polarization term at the surface

70 Exzitonen:Quantum Confinement Elektron - Lochpaar e- e- h+ a B a B e- h+ a B h+ Wannier Exziton: H_Atom : Halbleiter Frenkel Exziton: Lokalisierung: Moleküle

71 Semiconductor Quantum - Dots Linnros CdSe Silicon Meier

72

73 Caption: Micrograph of pyramid-shaped quantum dots grown from indium, gallium, and arsenic. Each dot is about 20 nanometers wide and 8 nanometers in height.

74 pn- Übergänge Verarmungszone Sperrrichtung Leitende Richtung Rekombination von Elektronen und Löchern!

75 Rekombination von Elektron-Loch Paaren Energieschema einer GaAlP-Laserdiode. Die aktive Zone ist zwischen einer p- und einer n-dotierten Schicht eingeschlossen.

76 Laserkristall (GaAs) 850 nm homo hetero Inversionsdichte Doppel- hetero

77 Metallische Nanopartikel

78

79

80 Solarzellen

81 Organische Solarzellen Schichtstruktur einer organischen Solarzelle. Zn-Phthalocyanin dient als Donator, C60 als Akzeptor. Das transparente ITO (Indium-Zinnoxid) und Aluminium bilden die Elektroden. PEDOT:PSS und Bathocuproine sind Pufferschichten, die die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht und der Elektroden einander anpassen.

82 Komposite Kathode Akzeptor Donor Transparente Anode Querschnitt durch eine organische Solarzelle. Die idealisierte Skizze zeigt den Nanokomposit aus den organischen Halbleitern.

83 Organische Leuchtdioden (OLED) Al q3

84 Kombinierte Dioden

85 Photonische Kristalle

86

87 Cavities

88 Zusammenfassung Anwendungen Farben Displays Lichtquellen Laser Dioden Photovoltaik Photonik Waveguids Quantencomputing