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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-35083
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3508/


Kucur, Erol

Elektrochemische und spektroskopische Materialuntersuchungen an lumineszierenden CdSe-Halbleiternanokristallen

Electrochemical and spectroscopic material investigations of luminescent CdSe-semiconductor nanocrystals

Dokument1.pdf (5.728 KB) (md5sum: 6631fc276c135a43399e90f04bbdb783)

Kurzfassung in Deutsch

Im Rahmen dieser Arbeit konnten mehrere neue Erkenntnisse über halbleitende Nanopartikel gewonnen werden. Einer dieser erfolgte durch die Anwendung der Zyklovoltammetrie an diesen neuartigen Materialien. Die Bestimmung der absoluten Energielagen der Bandkanten ermöglichte erstmals die elektrochemische Vermessung des größenabhängigen Quatum-Size-Effektes in CdSe-Nanopartikeln. Ferner konnte durch eine Variation der Meßmethodik der Unterschied von einer Messung in einem Film von der einer Dispersion genauere Einsichten in die elektrochemische Ladungstransfervorgänge gewonnen werden. Mit Hilfe dieser Methode ist es möglich Ladungsträgerpopulationen innerhalb der Bandstrukturen vom untersuchten Halbleiter-Nanokristall zu vermessen.

Eine Kombination aus Nanopartikeln und leitendem Polymer ermöglicht eine Vielzahl von neuartigen Designermaterialien, deren Eigenschaften je nach Bedürfnis zusammengestellt werden können. Eine Methode, diese zu untersuchen, stellt die Zyklovoltammetrie dar. Eine Untersuchung dieser in Bezug auf deren elektronischen Eigenschaften, speziell die Bestimmung der Ladungsträgerpopulation in den einzelnen Bandstrukturen, konnte durch die Zyklovoltammetrie ebenso erfolgreich für einige Komposite umgesetzt werden.

Neben der Bestimmung der Ladungsträgerpopulation in sowohl Nanokristallen als auch Nanokristall/Polymer-Komposite, ist es mit Hilfe der Zyklovoltammetrie gelungen, die Ladungstransferrate in reinen Materialien zu bestimmen. Dabei konnte festgestellt werden, daß diese Transferrate unterschiedlich groß in das Valenz- und Leitungsband erfolgt, wodurch gefolgert werden kann, daß sich die Nanokristalle in einem Bauteil einseitig aufladen und somit instabil werden. Aus dieser Erkenntnis kann die Notwendigkeit einer ausgeglichen Ladungstransferrate in die Nanopartikel schlußgefolgert werden. Somit ist es für das bessere Verständnis von Komposit-Bauteilen wichtig, diese Untersuchung auf die Komposite anzuwenden.

Durch eine Modifikation der Zyklovoltammetrie-Messungen konnten erstmals in einer elektrochemischen Meßapperatur Defektstellen in Halbleiter Nanokristallen gemessen und mit Hilfe von Literaturangaben, ein sogenanntes Defektstellenmapping für diese Nanopartikel eingeführt werden.
Mit Hilfe dieser Daten ist es möglich, die Synthesequalität und somit die Qualität der Nanokristalle unabhängig von den photoskopischen Eigenschaften, welche stark von den verwendeten Liganden abhängen, als ein weiteres Charakterisierungsmerkmal einzuführen.

Ferner konnte mittels der Zyklovoltammetrie das Verhalten der Ladungen unter Umwelteinflüßen, wie z.B. Temperatur und/oder energieintensive Photonenbestrahlung, untersucht werden. Hier konnte gezeigt werden, daß sowohl die Ladungen im Valenz- und Leitungsband als auch in flachen und tiefen Störstellen eine große Umweltbeeinflußbarkeit aufweisen. Durch ein in-situ Monitoring dieser Eigenschaften ist es möglich ein besseres Verständnis von den intern stattfindenden Prozessen z.B. im Einsatz in einem Bauteil (Solarzelle, LED) zu erlangen.


Für ein besseres Verständnis über solche Vorgänge in Kompositmaterialien ist es notwendig, die genaue Zusammensetzung dieser zu kennen. Während die Konzentration des Polymers sich relativ einfach bestimmen läßt, ist sie bei Nanopartikeln mit höherem Aufwand verbunden. Daher wurde eine Modellrechnung eingeführt, die es ermöglicht, die Größe der Nanopartikel anhand von deren photoskopischen Eigenschaften zu bestimmen. Durch eine weitere Modifikation des Modells, nämlich durch die Verwendung eines kristallographischen Modells anstatt einer Kugelannäherung, ist es erstmals möglich, die Konzentration der Nanopartikel in einer Lösung genau zu bestimmen. Dabei konnte durch die Anwendung der Anodischen-Stripping-Voltammetrie dessen hohe Sensibiltät gegenüber der Atomabsorptionsspektroskopie bewiesen werden. Durch eine gute Anwendbarkeit dieser Methode auf andere Materialien ist es möglich eine genauere Aufschlüsselung des Ladungstransfers pro Nanokristall in einem Komposit vorzunehmen.

Weitere dadurch erfolgte Erkenntnisse in Bezug auf die wahre Anzahl der Oberflächenatome können das Verständnis für die Funktionseffizienz von Sensoren, welche auf das bis jetzt zu hoch angenommene Oberflächen-/Volumenverhältnis aufbauen, erheblich steigern.


Kurzfassung in Englisch

Several insights into semiconducting nanocrystals could be gathered within the scope of this work. One of this regards the application of the cyclic voltammetry to the novel materials. The electrochemical determination of the absolute energy positions of the band edges made it possible to measure the size-dependent quantum-size-effect in those nanocrystals. A slight modification of the measurement technique granted new insights into the charge carrier transfer processes dependent on whether nanocrystal films or dispersions were used. Hence, the application of this modified technique enables the detection of the band structure of semiconducting nanomaterials.

A large variety of novel designer materials can be won through a promising combination of nanocrystals and polymers, whereas the properties of those can be chosen by the right selection of the particular materials. One way of characterizing those materials is the use of the above mentioned cyclic voltammetry. The knowledge of the charge carrier populations in those materials is one crucial factor for building up novel devices with high efficiency. Hence, several nanocrystals/polymer-composites were investigated regarding the charge carrier population, which gave insights into this material parameter and therefore a better understanding of their behaviour.

Asides from the determination of the important charge carrier population in those composites, it was also possible to detect the charge transfer rates by measurements of nanocrystal samples. By doing so it could be observed that these rates are not equal in valence and conduction band. Because of that devices built with these nanocrystals are facing an imbalance of the carrier injection rate, which implicates the necessity to control it by properly choosing the used ligands.

Due to a modification of the cyclic voltammetric measurement setup, defect states in nanocrystals could have been observed for the first time. Additionally, a defect state mapping for nanocrystals could be introduced with a literature survey. By the help of this data it might be possible to introduce the quality of the syntheses and thus the quality of the nanocrystals as a new characterization attribute independently of their photoscopic properties.

Since it is known that environmental chemicals influence the properties of nanocrystals, especially the dependency on the charge carrier population, this behaviour could also be investigated successfully by the means of the cyclic voltammetry due to temperature or energy intensive photonic treatment. It could be shown that carriers located near to the band edges as well as trapped in the deep and/or shallow defect states are easily influenced by environmental impacts.

For a better understanding of those processes in composite materials it is necessary to have knowledge about their detailed composition. Since the concentration of polymers can be determined easily, more efforts have to be made to determine the nanocrystals' concentration. Thus, a new model calculation has been introduced for the exact determination of the nanocrystals' size. In combination with a more precise crystal model compared to the already known spherical approximation the degree of determination the concentration could be determined more precisely. The comparison of the cadmium concentration by the means of anodic-stripping voltammetry (ASV) and atomic-absorption spectroscopy (AAS) revealed a slight but negligible difference. Hence, the cadmium concentrations determined by the ASV can also be used for the calculations mentioned above.

Due to a better knowledge of the exact numbers of atoms in one nanocrystal, a calculation regarding the surface/volume-atom ratio could be achieved. It could be shown that this ratio is less than the value obtained by spherical approximation. This data is especially useful for sensor related devices, because with it the efficiency of those sensors can be simulated more precisely.


SWD-Schlagwörter: Halbleiter, Cyclovoltammetrie , Lumineszenz, Defektstellen, Solvatochromie
Freie Schlagwörter (deutsch): CdSe, quantum dot, ASV, AAS, leitfähige Polymere, ionische Flüssigkeit, LED
Freie Schlagwörter (englisch): CdSe, quantum dot, concentration, defect states, composite
Institut: Institut für Mikrosystemtechnik
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Nann, Thomas (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.10.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 18.12.2007
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