Fluorescence Spectroscopy and Electrical Transport in 1D-Semiconductors

From Individual Nanostructures to Hybrid Devices

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Diese Dissertation befasst sich mit der optischen und elektrischen Untersuch-
ung von anorganischen Nanodrähten aus CdSe und CdS. Beide Cadmiumver-
bindungen sind strukturell ähnliche Halbleiter mit einer direkten Bandlücke
im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die optischen
Eigenschaften der Nanodrähte hängen von ihrer räumlichen Ausdehnung,
insbesondere von ihrem Durchmesser, ab und machen sie dadurch zu einem
interessantem Ausgangmaterial für nanoskalige Anwendungen.
Die Experimente wurden mit Rasterkraftmikroskopie, Fluoreszenz- und
Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt. Ein speziell angepasstes
konfokales Mikroskop wurde in einem neuen Labor wiederaufgebaut und auf
andere Anwendungsgebiete erweitert. In den Aufbau wurde eine spezielle
Ausstattung für optoelektronische Messungen integriert.
Insgesamt wurden vier unterschiedliche Typen von Nanostrukturen un-
tersucht: Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die Abhängigkeit der
optischen Bandlücke vom Durchmesser einzelner CdSe-Nanodrähte experi-
mentell erfasst. Dies wurde mit einer Simulation dieser Abhängigkeit ver-
glichen, wobei in dem Modell der Effektiven-Masse-Näherung der Einfluss
der Quantisierung, die Coulombwechselwirkung der Elektron-Loch-Paare
und Spiegelladungen berücksichtigt werden. Die theoretischen Ergebnisse
stehen in guter Übereinstimmung mit dem Experiment. Außerdem wurden
Bereiche mit abwechselnder Wurtzit- und Zinkblendestruktur entlang der
Nanodrahtachse analysiert. Es zeigt sich, dass die Wellenfunktionen nicht
innerhalb einzelner Abschnitte lokalisiert sind, sondern mehrere Segmente
überspannen.
Zweitens wurde ein CdSe-Bi-Kohlenstoff-Hybridsystem untersucht. Opti-
sche Eigenschaften dieser Struktur wurden stark vom Bismuth-Katalysator
beeinflusst, der für das Wachstum des Nanodrahtes verwendet wurde. Der
Durchmesser der Drähte verringerte sich und die Photolumineszenz nahm in
Richtung des Katalysators zu. Dies kann durch eine sukzessive Dotierung des
CdSe-Drahtes mit Bismuth während des Wachstumsprozesses erklärt werden.
Drittens wurden CdS-Nanodrähte asymmetrisch mit unterschiedlichen Me-
tallen kontaktiert und als Feldeffekt-Transistor angeordnet. Anschließend wur-
de die elektrische Leitfähigkeit der Drähte untersucht. Die elektronische Band-
struktur entlang des Drahtes wurde mit einer lateralen Spannung zwischen
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Source und Drain variiert. Dabei wurde ein direkter Zusammenhang zwischen
Photolumineszenz und Photostrom demonstriert. Beim Anlegen einer Span-
nung entlang der Achse des CdS-Drahtes konnte die Trennung der Elektronen
und Löcher kontrolliert gefördert oder unterdrückt werden.
Schließlich wurde der Prozess der Lichtabsorption in einem CdSe-P3HT-Pho-
toelement untersucht. Kontinuierliches Durchstimmen der Wellenlänge des
Anregungslichts hat gezeigt, dass der Absorptionsprozess nicht ausschließlich
im CdSe stattfindet, sondern dass ein komplexer Vorgang an der Polymer-
Nanokristall-Grenzfläche für die Erzeugung und den Zerfall der Elektron-Loch
Paare verantwortlich ist.