Photonische Materialien 4. Vorlesung

Transkript

1 Photonische Materialien 4. Vorlesung Einführung in quantenmechanische Aspekte und experimentelle Verfahren (1) Lumineszenz-Label (1) Supramolekulare und biologische Systeme (1) Halbleiter Nanopartikel (2) Quantum-Well-Strukturen (1) Metallische Nanopartikel (2) Solarzellen (1) Organische Leuchtdioden (1) Flüssige Kristalle (2) Photonische Kristalle (2).

2 Übungen 1 stündig Praktikumsversuch Literaturstudium zu einer angewandten Fragestellung mit Kurzreferaten Termin nach Absprache, auch in Kompaktform Heute 16:45 Besprechung

3 Supramolekulare und biologische Systeme 1. Photosynthese 2. Selbstorganisation 3. Organisationsprinzipien 4. Beispiele Wiederholung

4 BASIC PRIMARY PHOTOSYNTHETIC EVENTS

5 Anregungsenergietransfer

6 Primäres Reaktionszentrum

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9 SAM

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12 Halbleiter Nanopartikel Warum Nanopartikel? Volumen Oberflächenverhältnis Qualitative Änderung von Eigenschaften Beispiele Vom Atom zum Festkörper quantum size Effekte Optische Eigenschaften Exzitonen Transport Silizium Nanopartikel Poröses Silizium Nanokristalle Kolloidale Halbleiter Oberflächen Photolumineszenz-Eigenschaften Epitaktische Halbleiter

13 Warum Nanopartikel? Nano entspricht 10-9m = 1 nm Atomdurchmesser Silizium (Si): 0,12 nm Bindungslänge Si-Si: 0,233 nm Grobe Abschätzung Würfel Durchmesser d =10 nm: ca Si Atome Durchmesser d= 1nm: ca 100 Si Atome, alle an der Oberfläche Atomgewicht: 28,09 g/mol 19 1 mg entspricht ca 2 10 Si Atomen Kristallstruktur beachten

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

15 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

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

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18 Coulomb - Blockade

19 Tunnelmikroskopie STM

20 Eigenschaften Optische Eigenschaften Absorption Metalle Halbleiter Emission Halbleiter Streuung Metalle

21 Semiconductor Quantum - Dots Linnros CdSe Silicon Meier

22 Größenabhängige Farbe

23 Vom Atom zum Festkörper Halbleiter leer voll

24 Quantum Confinement

25 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

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28 Tunneln

29 Bandgap Engineering Electron-hole pair CdSe ZnS Energy CB VB E B E G,Bulk Size dependence

30 E g E g E g ) h (r h V ) e (r e V h r e r 2 ε 2 e 2 h h 2m 2 2 e e 2m 2 H + + = h h * Ryd h e E R e m m R E + = ε π h Halbleiter Halbleiter Quantum Dots (QD Quantum Dots (QD s) s) : Quantenpunkte Quantenpunkte

31 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

32 Anregungsenergietransfer

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34 Energieskalen 1 ev (Elektronenvolt) = ca 8000 cm cm = ca 500 nm

35 Übergangänge zwischen Bändern

36 Photolumineszenz

37 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

38 (d) (c) (b) (a) Normalized PL intensity (a.u.) Zn X Cd 1-x S alloy QDs Emission fwhm x a 474nm 14nm 0.10 b 442nm 16nm 0.25 c 417nm 17nm 0.36 d 391nm 18nm wavelength / nm

39 Kristallstrukturen

40 ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe.

41 Kristall - Facetten

42 CdSe nanocrystal, 66 atoms energy, ev

43 Core-shell QD

44 SemiconduKolloidale Quantendots Nanocrystals CdSe/ZnS Kolloidale Quantumdots Transmission Electron Microscope Image: D = 4.56 nm Hietschold, TU Chemnitz

45 o o Core shell Systeme P P o P o o o P ZnS o o CdSe P o P P P core diameter ~ 2.69 nm P P o o op o P o CdSe o o P P P P

46 Kolloidale Quantum Dots - Oberfläche H 3 C C H 3 C H 3 CdSe Core ZnS Shell Attach to the surface P O Some TOPO desorb TOPO Evident Technologies, Inc.

47 extended Wavefunction - Tunneling

48 Dunkel-Zustände

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50 Photophysikalische Prozesse in Quantendots (i) Radiative recombination (ii) Nonradiative recombination (iii) Trap processes

51 Quntendots in Lösungen

52 Spin Coating

53 Matrix-isolierter Quantendot Ionenimplantation Dotierung + Tempern

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55 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.

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

57 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.

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

59 QD - Devices

60 Indirekte Bandübergänge: Si

61 Si Quantendots Christian von Borczyskowski

62 Si - Bandübergänge