Photonische Materialien 7. Vorlesung

Transkript

1 Photonische Materialien 7. 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 (1) Flüssige Kristalle (2) Photonische Kristalle (2).

2 Halbleiter Quanten Well Strukturen Halbleitereigenschaften Dotierte Halbleiter pn-übergänge Optische Eigenschaften von Halbleitern Absorption, Emission, stimulierte Emission Lasereigenschaften Halbleiterlaser Quantenwell - Strukturen und Laser Quantendot Laser Wiederholung

3 Zustandsbesetzung

4 Halbleiter

5 Fermi-Verteilung in Halbleitern

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

7 Probleme: Diffusionslänge Ladungsträger (0.5 um) Nichtstrahlende Prozesse (ps ns) Tiefe Temperaturen

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

9 Laserbedingungen Mehr Elektronen als Löcher (dynamisches Gleichgewicht)! εl εv >hν >Eg

10 Diodenstruktur und Lichtführung

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12 Bandlücken von Halbleitermaterialien

13 Quantenfilme/Quantenwells

14 Metallische Nanopartikel/Plasmonen Farbe Lichtstreuung Dielektrische Funktion Plasmonenresonanz Eigenschaften Metallischer Nanopartikel Anwendungen

15 Farbdreieck: Absorption

16 Färbung von Glas vorne: Goldrubinglas in Überfangtechnik mitte: Überfangkappen aus reinem Goldrubinglas, vor dem Sintern klar, nach dem Sintern rubinrot, hinten: Glas mit Färbung aus Silber-Nanopartikeln) (Hersteller: Nachtmann)

17 Extinktion/Transmission Lambert-Beersches Gesetz: Absorption, Streuung, Reflexion, Beugung

18 Elektronische Zustände: Photolumineszenz Kasha Regel

19 Elektron-Loch Paare Photolumineszenz Optische Anregung Metall: Freie Elektronen Halbleiter: gebundene e-h Paare Exzitonen)

20 Bandstruktur von Metallen

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23 Rayleigh Streuung/Mie-Streuung

24 Rayleigh/Raman Streuung

25 Mie- Streuung 10 nm ε größenabhängig Nicht größenabhängig

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28 Mie Streuung 3D Darstellung der Mie-Streuung von rotem Licht (633nm) an einem sphärischen Partikel mit 2µm Durchmesser (Das Partikel befindet sich in der Mitte bei x=0 y=0 z=0 das Licht wird von links eingestrahlt).

29 Wechselwirkung Strahlung Materie Lösung: Auslenkung Lichtwelle mit

30 Dielektische Funktion Realteil: (Dispersion) Imaginärteil: (Absorption)

31 Dielektrische Funktion

32 Dielektrische Funktion Silizium

33 Silber scattering of the electrons dephasing of the bulkplasmons

34 Extinktion: Absorption; Streuung Ag, 30 nm

35 Plasmonen Plasmonen = quantisierten Dichteschwankungen von Ladungsträgern in Halbleitern oder Metallen genannt; Der Begriff ist eine gebräuchliche Abkürzung für Plasmaschwingungsquanten. Was das Photon für elektromagnetische Wellen darstellt, ist das Plasmon für Schwingungen im Fermigas von Metallen. Plasmonenenergie n die Valenzelektronendichte; e Elementarladung ;m Elektronenmasse, ε0 absolute Dielektrizitätskonstante; h Plancksches Wirkungsquantum; ωp Drude Plasamafrequenz

36 Volumenplasmonen sind eng mit Plasmonen verwandt V Volumen, Yne Le Garre Polynome der Quantenzustände

37 Absorption von Natriumclustern

38 Dielektrische Funktion: Natrium; Kupfer

39 Partikel

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41 Plamonen in Partikeln

42 Partikelplasmon: Lokalisierte Oberflächenplasmonen Dipolmoment p Dabei sind ε und εm die Dielektrizitätskonstanten des umgebenden Mediums und des Metalls sowie R der Radius der Metallkugel. Bei Metallen hängt die Dielektrizitskonstante sehr stark von der Wellenlänge der elektromagnetischen Schwingung ab.

43 Größenabhängigkeit Drude Plasmafrequenz: ωp = (ne²/ε0m)1/2

44 Dielektrische Funktion (Absorption) Theor.

45 Vergleich Theorie/Experiment 10 nm /Argon

46 Silbercluster 19 nm 63 nm

47 Silberpartikel

48 Plasmonen in Metallpartikeln

49 Effektives Medium

50 Ag(x):Au(x-1) Alloys

51 Partikel Herstellung Kondensation aus Gasphase Oberflächen Matrixisolation Soft Landing Oberflächendiffusion Dispersion Sputtering Laserverdampfung Bogenentladung Chemische Verfahren Ligandenstabilisierung

52 Partikel - Morphologie

53 Core/Shell - Systeme

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56 Strukturierung Ordered deposition of inorganic clusters from micellar block copolymer films, J. P. Spatz, S. Mossmer, C. Hartmann, M. Möller, T. Herzog, M. Krieger, H. G. Boyen, P. Ziemann, B. Kabius, American Chem. Soc., Vol. 16, 407 (2000)

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58 Legierungen

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60 Ausbreitung Oberflächenplasmonen breiten sich mit exponentieller Abnahme der Amplitude entlang der Metalloberfläche aus Für die Dämpfung der Plasmonenausbreitung sind Leitungsverluste im Metall verantwortlich. Bei einer Lichtwellenlänge von 633 nm breiten sich Oberflächenplasmonen auf Gold etwa 9 µm, auf Silber etwa 60 µm weit aus. Durch geeignete Strukturierung der Metalloberfläche kann die Ausbreitungsrichtung von Oberflächenplasmonen beeinflusst werden. Es lassen sich Spiegel, Strahlteiler und Linsen für Oberflächenplasmonen herstellen. Eine Anwendung ist die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) in der Biosensorik.

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