Fluorescence Spectroscopy and Electrical Transport in 1D-Semiconductors. From Individual Nanostructures to Hybrid Devices

Diese Dissertation befasst sich mit der optischen und elektrischen Untersuchung von anorganischen Nanodrähten aus CdSe und CdS. Beide Cadmiumverbindungen 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 untersucht: Zunächst wurde im Rahmen dieser Arbeit die Abhängigkeit der optischen Bandlücke vom Durchmesser einzelner CdSe-Nanodrähte experimentell erfasst. Dies wurde mit einer Simulation dieser Abhängigkeit verglichen, 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. Optische 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 Metallen kontaktiert und als Feldeffekt-Transistor angeordnet. Anschließend wurde die elektrische Leitfähigkeit der Drähte untersucht. Die elektronische Bandstruktur entlang des Drahtes wurde mit einer lateralen Spannung zwischen Source und Drain variiert. Dabei wurde ein direkter Zusammenhang zwischen Photolumineszenz und Photostrom demonstriert. Beim Anlegen einer Spannung 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-Photoelement untersucht. Kontinuierliches Durchstimmen derWellenlänge 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.