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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-38403
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/3840/


Ehlert, Oliver

Extrinsische und intrinsische Defekte in Nanokristallen

Extrinsic and intrinsic defects in nanocrystals

Dokument1.pdf (17.531 KB) (md5sum: f899d7ddbaa69c5d5ba4de10a9071c5c)

Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wurden Strontiumaluminat-Nanokristalle hergestellt, deren Photolumineszenzabklingzeiten im langen Minutenbereich liegen. Diese Zeiten würden es möglich machen, mit einer Anregung biologische Markierungen über einen langen Zeitraum zu beobachten, ohne die Hintergrundfluoreszenz von biologischem oder synthetischen Material zu beobachten. Da die Partikel jedoch auf Grund ihrer hohen Synthesetemperaturen nur als nanokristalline Pulver vorlagen, können sie stattdessen für technische Anwendungen genutzt werden, z. B. als Konverter oder als Farbkorrektur für LEDs.
EuF_3 Nanopartikel wurden mit zwei verschiedenen Syntheseverfahren dargestellt und zeigten die literaturbekannten PL-Eigenschaften. Zusätzlich konnten diese Partikel mit Eu^{2+} dotiert werden, wobei der Einbau spektroskopisch nachgewiesen wurde. Eine Kodotierung mit Dy, um ähnliche Abklingzeiten wie im Falle von Strontiumaluminat zu erreichen, gelang nicht. Die hier berichteten EuF_3:Eu^{2+} Partikel sind die ersten verschieden valenten lumineszierenden Nanopartikel eines Leuchtzentrumelement-Fluorids.
Cadmiumselenid Nanokristalle wurden temperaturabhängig spektroskopisch untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass unterhalb von 150 K zwei Defektstellenlumineszenzbanden auftreten, die wie die Bandkantenlumineszenz der Grössenbeschränkung unterliegen und sich linear mit dieser verschieben. Es wurde ein Punkt-Ladungsmodell vorgestellt, welches eine Cd-Se-Divakanz als Verursacherin dieser Peaks ausweist. Die temperaturabhängigen Absorptionsspektren derartiger CdSe Nanopartikel zeigten, dass sich die Bandlücke mit abnehmender Temperatur linear für alle Partikel zu höheren Energien verschiebt; diese Blauverschiebung hängt zusätzlich linear von der Partikelgrösse ab. Ein derartiger Befund wurde bisher in der Literatur nicht berichtet. Aus diesen Blauverschiebungen wurden mit einer bekannten Theorie die thermodynamischen Funktionen der Exzitonenbildung in hexagonalen CdSe Nanokristallen bestimmt. Dabei stellte sich heraus, dass die jeweilige Energiezunahme von den grossen Entropiewerten der Elektron-Loch-Paar Bildung stammt.
Es wurden ZnS Nanopartikel, die mit Cu und/oder Pb, Eu^{2+} oder Mn^{2+} nach einer neuartigen Synthesemethode hergestellt. Durch die Synthese einer passivierenden ZnS-Schale wurden die Oberflächendefekte koordinativ abgesättigt und spektroskopisch untersucht. Dabei wurden die Energieniveaus bestimmt, die nicht den Volumenmaterialdotierungen, sondern den Oberflächendotierungen entsprechen.
Die ZnS:Mn/ZnS Partikel wurden einem Phasentransfer nach Wasser unterzogen und zusammen mit CdSe/ZnS und CdTe Partikeln elektrophoretisch durch Laser-Doppler-Elektrophorese, Isotachophorese und Agarosegelelektrophorese untersucht, wobei verschiedene Liganden verwendet wurden. Dabei stellte sich heraus, dass CdTe-Partikel, die direkt in Wasser hergestellt wurden, elektrophoretisch mobiler und --beschrieben durch das \zeta-Potential-- auch elektrostatisch stabiler als die CdSe-Partikel waren. Die ZnS:Mn/ZnS Partikel zeigten dabei jedoch dieselben Eigenschaften, wie die vielseitig und mannigfaltig verwendeten CdSe Partikel, was sie zu einer ernstzunehmenden nicht-toxischen Alternative für biologische Markierungsexperimente für die cadmiumbasierten macht.
Es wurden seltenerd-dotierte Nanopartikel im System NaY_{1-x}Yb_xF_3 (x=0.2 und 1) mit Infrarot-nach-Visuell aufkonvertierenden Eigenschaften hergestellt, die alle bei 980 nm angeregt werden können. Durch Variationen der Synthesetemperaturen, -zeit und der Wirtsgitterzusammensetzung konnten 4-5 spektral unterscheidbare Farben parallel unterschieden werden, so dass Mehrfarben-Multiplexing-Experimente mit diesen Systemen möglich sind. Durch Verschalung mit einer SiO_2-Schicht wurden diese Partikel in einem Beispielexperiment in polare Lösungsmittel phasentransferiert, um die Eigenschaften für biologische Markierungsexperimente verfügbar zu machen. Dabei können Markierungsmoleküle durch kovalente Bindungen an der Silicaoberfläche reproduzierbar gebunden werden.


Kurzfassung in Englisch

In this work, strontiumaluminate-nanocrystals (NCs) were synthesized, which show minute-long decay times. These times would make it possible, only by means of a single excitation process, to probe biological samples over a long time scale without detection of the backgroung luminescence of biological or synthetic material. However, these particles were yielded as nanocrystalline powder because of their high synthesis temperatures, but could be used for other technical applications, e.g. converter material for LEDs.
EuF_3 nanoparticles were synthesized according to two different synthetic procedures and showed the typical luminescence properties. Additionally, these particles were doped by Eu^{2+} ions, proved by optical spectroscopy. Co-doping with Dy, similar to the strontiumaluminate-NCs, was not possible.
Cadmiumselenide (CdSe) NCs were investigated by means of temperature dependent spectroscopy. It is shown that, below 150 K, two different defect luminescence peaks occur, blue shifted according to the quantum confinement of the excitonic peak position. A point-charge-model was introduced, which causes a Cd-Se-divacancy as origin of these peaks. Temperature dependent absorbance spectroscopy showed, that the band edge is shifted to higher energies with decreasing temperature for all particle sizes; this shift depends linearily on the particle size. Using these blue-shifts, the themodynamic functions of the electron-hole-formation in wurtzite CdSe-NCs was calculated, showing that the entropic value of the exciton formation mainly causes these shifts.
ZnS NCs, (co-)doped with Cu and/or Pb, Eu^{2+} or Mn^{2+}, were synthesized according to a new procedure. After passivation of the surface bound defects using additional ZnS these defects were saturated and investigated spectroscopically.
ZnS:Mn NCs were phase transferred into water and investigated electrophoretically together with CdSe and CdTe NCs by means of Laser-Doppler-Electrophoresis, Isotachophoresis, and Agarose-Gel-Electrophoresis using different surface ligands. It is shown, that CdTe-NCs, synthesized directly in water, are more mobile and --described by the \zeta-Potential-- are more electrophoretically stable than their CdSe counterparts. However, ZnS:Mn NCs showed the same properties as CdSe, making them an appropriate alternative system to replace the Cd-based ones.
Rare-earth-doped NCs in the system NaY_{1-x}Yb_xF_3 (x=0.2 and 1) with infrared-to-visible upconversion properties were prepared, all of them being excited at 980 nm. Variation of the temperature, reaction time, and the lattice composition 4-5 spectrally separatable colors were obtained, making it possible, that these particles could be used for multicolor-multiplexing experiments. Silica encapsulation was used for the phase transfer of these particles into polar solvents.


SWD-Schlagwörter: Nanokristalle, Halbleiter, Defekte, Aufkonversion , Niederdimensionaler Halbleiter , Kolloider Halbleiter , Wide-gap-Halbleiter
Freie Schlagwörter (englisch): upconversion , nanocrystals , defects
Institut: Freiburger Materialforschungszentrum
Fakultät: Technische Fakultät (bisher: Fak. f. Angew. Wiss.)
DDC-Sachgruppe: Technik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Nann, Thomas (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.12.2007
Erstellungsjahr: 2007
Publikationsdatum: 14.12.2007
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