Photonische Materialien4. 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).

Übungen

• 1 – stündig• „Praktikumsversuch“• Literaturstudium zu einer angewandten

Fragestellung mit Kurzreferaten• Termin nach Absprache, auch in

Kompaktform• Heute 16:45 Besprechung

Supramolekulare und biologische Systeme

1. Photosynthese2. Selbstorganisation3. Organisationsprinzipien4. Beispiele Wiederholung

BASIC PRIMARY PHOTOSYNTHETIC EVENTS

Anregungsenergietransfer

Primäres Reaktionszentrum

SAM

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

Warum Nanopartikel?• Nano entspricht

– 10 m = 1 nm– Atomdurchmesser Silizium (Si): 0,12 nm– Bindungslänge Si-Si: 0,233 nm– Grobe Abschätzung Würfel

• Durchmesser d =10 nm: ca 80.000 Si Atome• Durchmesser d= 1nm: ca 100 Si Atome, alle an

der Oberfläche– Atomgewicht: 28,09 g/mol

• 1 mg entspricht ca 2 10 Si Atomen– Kristallstruktur beachten

-9

19

Warum Nanopartikel?

• Qualitative Änderung von Eigenschaften als Funktion der Größe, z.B. – Leitfähigkeit– „Farbe“– Thermische Eigenschaften

• Oberflächen : Volumenverhältnis– (reaktive) Grenzflächen– Interface

Oberflächen

In the basic unit of a crystalline silicon solid, a silicon atomshares each of its four valence electrons with each of four neighboring atoms

Passivierung: H, O

reaktiv !!

Eigenschaften

• Elektrische Leitfähigkeit– Ohmscher Widerstand eines

makroskopischen Drahts: R = ρ Länge l/Querschnitt A

– Einzelelektronen Transistor

Coulomb - Blockade

Tunnelmikroskopie STM

Eigenschaften

• Optische Eigenschaften– Absorption

• Metalle• Halbleiter

– Emission• Halbleiter

– Streuung• Metalle

Semiconductor Quantum - Dots

CdSe Silicon

Linnros

Meier

Größenabhängige Farbe

Vom Atom zum Festkörper

voll

leer

Halbleiter

Quantum Confinement

N(E)

E

N(E)

EE1/2

N(E)

EE-1/2

N(E)

E

Bulkcrystal Thin film Quantum wire Quantum dot

3D 2D 1D 0D

Quantum Confinement

Example: CdSe

Tunneln

Bandgap EngineeringEnergy

CdSe ZnS

VB

CB

EB EG,Bulk

Size dependence

Electron-hole pair

Eg Eg Eg

)h(rhV)e(reVhrer2ε

2e2h

h2m

22e

e2m

2H ++

−−∇−∇−=

hh

*

2

2

2

22

10 248.0786.1112 Ryd

he

ERe

mmRE −−⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+=

επh

HalbleiterHalbleiter Quantum Dots (QDQuantum Dots (QD’’s)s) ::QuantenpunkteQuantenpunkte

h+

e-

aB

h+

e-

aB

h+

e-aB

Exzitonen:QuantumExzitonen:Quantum ConfinementConfinement

Elektron - Lochpaar

Wannier Exziton: „H_Atom“: Halbleiter

Frenkel Exziton: Lokalisierung: Moleküle

Anregungsenergietransfer

Energieskalen

• 1 eV (Elektronenvolt) = ca 8000 cm

• 20 000 cm = ca 500 nm

-1

-1

Übergangänge zwischen Bändern

Photolumineszenz

2 nma 5.2 nmCdSe

b 5.8 nmZn0.28Cd0.72Se

c 6.3 nmZn0.44Cd0.56Se

d 6.8 nmZn0.55Cd0.45Se

e 7.5 nmZn0.67Cd0.33Se

Wavelength (nm)350 400 450 500 550 600 650 700 750

Abs

orba

nce

(a.u

.)

0

a

b

c

de

Wavelength (nm)450 500 550 600 650

PL

Inte

nsity

(a.u

.)

0

abcde

Absorption (left) and PL (right) spectra of alloyed ZnxCd1-xSe QDs

Knoll, MPI Mainz

CdSe

350 400 450 500 550

ZnXCd1-xS alloy QDs

Emission fwhm xa 474nm 14nm 0.10b 442nm 16nm 0.25c 417nm 17nm 0.36d 391nm 18nm 0.53

(d) (c) (b) (a)N

orm

aliz

ed P

L in

tens

ity (a

.u.)

wavelength / nm

Kristallstrukturen

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

Kristall - Facetten

05

1015202530354045

-2 -1 0 1 2 3 4energy, eV

CdSe nanocrystal, 66 atoms

Core-shell QD

SemiconduKolloidale QuantendotsNanocrystals CdSe/ZnS

Transmission Electron Microscope Image: D = 4.56 nmHietschold, TU Chemnitz

Kolloidale Quantumdots

P

P

P

P

P

P

P

P

oo

o

o

ooo

oCdSe

ZnS

P

oP oPo

Po

PoP o

Po

P

o

CdSe

Core Core –– shell shell SystemeSysteme

core diameter ~ 2.69 nmcore diameter ~ 2.69 nm

TOPO

ZnS Shell

CdSe Core

Kolloidale Quantum Dots - Oberfläche

Evident Technologies, Inc.

Attach to the surface

Some TOPO desorbP

CH3 CH

3

CH3

O

„extended“Wavefunction -

Tunneling

Dunkel-Zustände

PhotophysikalischePhotophysikalische ProzesseProzesse in in QuantendotsQuantendots

((i) Radiative recombination i) Radiative recombination

(ii) Nonradiative recombination(ii) Nonradiative recombination

(iii) Trap processes (iii) Trap processes

Quntendots in Lösungen

Spin Coating

Matrix-isolierter Quantendot

•Ionenimplantation

•Dotierung + Tempern

Schematic illustration of the interfacial multilayer architecture for the fluorescence

detection of hybridization events.

Streptavidin matrix

Binary thiol layer

Oligo-probe

Oligo target

QDs

1 2 3 4

Au - surface

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

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

QD - Leuchtdioden

DEAK-LAM, Inc. New York.......Hong Kong........London

QD - Devices

www.fujitsu.com

Indirekte Bandübergänge: Si

Si Quantendots

Christian von Borczyskowski

Si - Bandübergänge