48. Vorlesung. Wiederholung: 52.0 Grenz- und Oberflächen Oberflächenladung Adsorbate Austrittsarbeit

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Cornelius Grosse
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1 Prof. C. von Borczyskowski Physik für CS +SK 48. Vorlesung Wiederholung: 52.0 Grenz- und Oberflächen 52.1 Oberflächenladung 52.2 Adsorbate 52.3 Austrittsarbeit Nanomaterialien 53.1 Oberflächenstrukturen 53.2 Quantendots 53.3 Quantenwells 54.0 Festkörperanalytik 54.1 Spektroskopie 54.2 Streuexperimente 54.3 Kalorimetrie 54.4 Mikroskopie Verwendete Literatur: : Göpel/Ziegler Struktur der Materie Teubner 1993, Tipler Versuche:

2 Nano - Materialien Halbleiter Nanopartikel Quantum-Well-Strukturen Metallische Nanopartikel

3 SAM

4 Halbleiter Nanopartikel Warum Nanopartikel? Volumen Oberflächenverhältnis Qualitative Änderung von Eigenschaften Vom Atom zum Festkörper quantum size Effekte Optische Eigenschaften Silizium Nanopartikel Poröses Silizium Kolloidale Halbleiter Epitaktische Halbleiter

5 Warum Nanopartikel? Nano entspricht m = 1 nm Atomdurchmesser Silizium (Si): 0,12 nm Bindungslänge Si-Si: 0,233 nm Grobe Abschätzung Würfel: Kantenlänge d =10 nm: ca Si Atome -19 Kantenlänge d= 1nm: ca 100 Si Atome, alle an der Oberfläche

6 Warum Nanopartikel? Qualitative Änderung von Eigenschaften als Funktion der Größe, z.b. Leitfähigkeit Farbe Thermische Eigenschaften Oberflächen : Volumenverhältnis (reaktive) Grenzflächen Interface

7 Oberflächen reaktiv!! Passivierung: H, O In the basic unit of a crystalline silicon solid, a silicon atom shares each of its four valence electrons with each of four neighboring atoms

8 Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit Ohmscher Widerstand eines makroskopischen Drahts: R = ρ Länge l/querschnitt A Einzelelektronen Transistor

10 Tunnelmikroskopie STM

11 Eigenschaften Optische Eigenschaften Absorption Metalle Halbleiter Emission Halbleiter Streuung Metalle

12 Semiconductor Quantum - Dots Linnros CdSe Silicon Meier

13 Größenabhängige Farbe

14 Quantum Confinement

15 Quantum Confinement Bulkcrystal Thin film Quantum wire Quantum dot 3D 2D 1D 0D E E 1/2 E E E -1/2 E N(E) N(E) N(E) N(E) Example: CdSe

17 Halbleiter Quantum Dots (QD s) : Quantenpunkte E g E g E g

18 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

) d e 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750

2 nm a 5.2 nm CdSe b 5.8 nm Zn 0.28 Cd 0.

19 CdSe e d c b a Absorbance (a.u.) c b a PL Intensity (a.u.) d e Wavelength (nm) Wavelength (nm) Absorption (left) and PL (right) spectra of alloyed Zn x Cd 1-x Se QDs 2 nm a 5.2 nm CdSe b 5.8 nm Zn 0.28 Cd 0.72 Se c 6.3 nm Zn 0.44 Cd 0.56 Se d 6.8 nm Zn 0.55 Cd 0.45 Se e 7.5 nm Zn 0.67 Cd 0.33 Se Knoll, MPI Mainz

20 Quntendots in Lösungen

21 Kolloidale Quantum Dots - Oberfläche CdSe Core ZnS Shell TOPO O P H3 C Evident Technologies, Inc. H3 C H3 C

22 QDs Oligo target Oligo-probe Streptavidin matrix Binary thiol layer Au - surface Schematic illustration of the interfacial multilayer architecture for the fluorescence detection of hybridization events.

23 Stranski-Krastanow Wachstum z.b. InGaAs auf GaAs SiGe auf Si Oliver G. Schmidt Uncapped indium arsenide (InAs) self-assembled quantum Dots grown on gallium arsenide (GaAs). images.pennnet.com

24 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.

25 QD - Leuchtdioden DEAK-LAM, Inc. New York...Hong Kong...London

dimensions Electron beam lithography Disadvantages: Slow, contamination, low density, defect formation A.

26 Lithography Etch pillars in quantum well heterostructures Quantum well heterostructures give 1D confinement Mismatch of bandgaps potential energy well Pillars provide confinement in the other 2 dimensions Electron beam lithography Disadvantages: Slow, contamination, low density, defect formation A. Scherer and H.G. Craighead. Fabrication of small laterally patterned multiple quantum wells. Appl. Phys. Lett., Nov 1986.

27 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

28 Diodenlaser

29 Halbleiter

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

31 Bandlücken von Halbleitermaterialien

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

33 Miniaturisierung

35 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)

36 Farbdreieck: Absorption

37 Rayleigh Streuung/Mie-Streuung

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