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

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Arwed Böhm
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1 Prof. C. von Borczyskowski Physik für CS +SK 49. 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:

5 Methoden Spektroskopische Verfahren Mikroskopische Verfahren Streuverfahren Kalorimetrische Verfahren

6 Literatur D. Haarer, H.W. Spiess (Hrsg.): Spektroskopie amorpher und kristtiner Festkörper Steinkopf Verlag Darmstadt 1995 M.D. Morris (Ed.): Microscopic and Spectroscopic Imaging of the chemical State Practical Spectroscopy Series Volume 16, Marcel Dekker N.Y. 1993

7 Weiche Materie - Soft Matter Kondensierte Phase Festkörper Flüssigkeiten Oberflächen Grenzflächen Filme Moleküle

8 Wechselwirkungen elektronisch magnetisch mechanisch chemisch Struktur mikroskopisch mesoskopisch nanoskopisch Dynamik elektronische Zustände Phasenübergänge chemische Reaktionen Eigenschaften elektrisch/magnetisch optisch mechanisch chemisch/sensorisch

9 Methoden zur Strukturbestimmung Streuverfahren Mikroskopie optische (konfokale) elektronische TEM, SEM Nahfeld: STM AFM SNOM Kernmagnetische Resonanz (NMR) Label-, Markertechniken

10 Methoden zur Bestimmung von Wechselwirkungen Energiebestimmung Optische Spektroskopie Infrarot-/Raman - Spektroskopie Photoelektronenspektroskopie Magnetische Resonanztechniken Kernphysikalische Techniken Kraftmessungen AFM Kräftewaagen

11 Methoden zur Bestimmung der Dynamik Zeitaufgelöste optische Verfahren Streuexperimente Kalorimetrie

12 Methoden zur Eigenschaftsbestimmung Optische Verfahren (Polarisation) Strom - Spannungskennlinien Reibung/Viskosität

13 Spektroskopie Absorption, Emission von elektromagnetischer Strahlung (Optische, Infrarot, Raman, Magnetische Resonanz, Photoelektronen), Dieelektrische Spektroskopie, Akustische Spektroskopie Quantenmechanischer Ansatz: Energien,Wellenfunktionen, Übergangsmomente Born-Oppenheimer Näherung: Separation von Elektron-, Kernbewegungen (Schwingungen) Heisenbergsche Unschärfe-Relation Kohärenz Kontinuums Ansatz: Dielektrische Konstante, Absorption, Brechungsindex, Reflexion, Polarisation Spektrale-, zeitliche Auflösung, Empfindlichkeit, Mikroskopie

14 Spektrale Auflösung Heisenbergsche Unschärferelation Homogene Verbreiterung durch dynamische Prozesse Inhomogene Verbreiterung durch statische Unordnung Ensemble- Zeitmittelung Kohärente Verfahren, Doppel- Resonanz verfahren Spektrale Selektion Lochbrennen), Einzelmolekültechniken

15 Zeitauflösung, Empfindlichkeit Femtosekunden - Monate (22 Größenordnungen) Isolation Stabilität Detektoren Effekt - Modulation Kodierung Markierung

16 Streuverfahren Röntgenstreuung Neutronenstreuung Lichtstreuung Brillouin Mie Rayleigh Ramanstreuung

17 Röntgen- /Neutronenstreuung Elastische, inelastische Streuung Strukturbestimmung: Kristalle (Braggreflexe), amorphe Materialien (Nahordnung) Kleinwinkelstreuung: Beugung (Aggregate, Partikel) Ineleastische Streuung: Bestimmung von Phononen (Schwingungen) Quasi elstische Streuung: langsame Bewegungen (Diffusion)

18 Lichtstreuung Photonenstreuung Dynamik von Dichte- (Molekulargewicht) und Anisotropie (Orientierungs) - Fluktuationen Brownsche Molekularbewegung Quasielastische Streuung Photonenkorrelationsspektroskopie: Diffusion Rayleigh-Brillouin Streuung: Dichteschwankungen (mechanische Größen, Phasenübergänge)

19 Mikroskopie / Manipulation Optische (NMR) Mikroskopie: einfach, Auflösung ~ 300 nm, in vivo konfokale Mikroskopie (scannend) Fluoreszenzmikroskopie (Marker, Kontrast) 2- Photonen Mikroskopie Elektronenmikroskopie: Metallbeschichtung, Auflösung ~ atomar, aufwendig Transmission scannend Nahfeld - Mikroskopie: Oberflächen, relativ einfach Scanning Tunneling Microscopy (STM): leitende Proben, Auflösung ~atomar Atomic Force Microscopy (AFM): Auflöung ~ molekular Scanning Near Field Optical Microscopy (SNOM): Auflösung ~ 10 nm Chemisches Mikroskop

20 Kalorimetrische Verfahren

25 Tunnelmikroskopie

26 Oberflächenstruktur

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

Introduction E Bulk 3D E 1/2 Quantum dot 0D E N(E)

quantum efficiency Extended semiconductor Continum

energies E h 2 π 2 1 1 = + + 1 s1 s E g 1.

28 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

29 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.

30 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

31 Quantenwellstrukturen

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

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

36 SAM

37 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

38 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

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

40 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

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

43 Tunnelmikroskopie STM

44 Eigenschaften Optische Eigenschaften Absorption Metalle Halbleiter Emission Halbleiter Streuung Metalle

45 Semiconductor Quantum - Dots Linnros CdSe Silicon Meier

46 Größenabhängige Farbe

47 Quantum Confinement

48 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

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

51 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.

52 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

53 Quntendots in Lösungen

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

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 auf GaAs SiGe auf 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 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.

60 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

61 Diodenlaser

62 Halbleiter

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

64 Bandlücken von Halbleitermaterialien

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

66 Miniaturisierung

68 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)

69 Farbdreieck: Absorption

70 Rayleigh Streuung/Mie-Streuung

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