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Prof. C. von Borczyskowski Physik für CS +SK 49. Vorlesung Wiederholung: 52.0 Grenz- und Oberflächen 52.1 Oberflächenladung 52.2 Adsorbate 52.3 Austrittsarbeit 53.0. Nanomaterialien 53.1 Oberflächenstrukturen 53.2 Quantendots 53.3 Quantenwells 54.0 Festkörperanalytik 54.1 Spektroskopie 54.2 Streuexperimente 54.3 Kalorimetrie 54.4 Mikroskopie Verwendete Literatur: : Göpel/Ziegler Struktur der Materie Teubner 1993, Tipler Versuche:
Methoden• Spektroskopische Verfahren
• Mikroskopische Verfahren
• Streuverfahren
• Kalorimetrische Verfahren
Literatur
• D. Haarer, H.W. Spiess (Hrsg.): Spektroskopie amorpher und kristtiner Festkörper
Steinkopf Verlag Darmstadt 1995
• M.D. Morris (Ed.): Microscopic and SpectroscopicImaging of the chemical State
Practical Spectroscopy Series Volume 16, Marcel Dekker N.Y. 1993
Weiche Materie - Soft Matter
• Kondensierte Phase– Festkörper– Flüssigkeiten– Oberflächen– Grenzflächen– Filme
• Moleküle
• Wechselwirkungen– elektronisch– magnetisch– mechanisch– chemisch
• Struktur– mikroskopisch– mesoskopisch– nanoskopisch
• Dynamik– elektronische Zustände– Phasenübergänge– chemische Reaktionen
• Eigenschaften– elektrisch/magnetisch– optisch– mechanisch– chemisch/sensorisch
Methoden zur Strukturbestimmung• Streuverfahren• Mikroskopie
– optische (konfokale)– elektronische TEM, SEM– Nahfeld:
• STM• AFM• SNOM
• Kernmagnetische Resonanz (NMR)• Label-, Markertechniken
Methoden zur Bestimmung von Wechselwirkungen
• Energiebestimmung– Optische Spektroskopie– Infrarot-/Raman - Spektroskopie– Photoelektronenspektroskopie– Magnetische Resonanztechniken– Kernphysikalische Techniken
• Kraftmessungen– AFM– Kräftewaagen
Methoden zur Bestimmung der Dynamik
• Zeitaufgelöste optische Verfahren• Streuexperimente• Kalorimetrie
Methoden zur Eigenschaftsbestimmung
• Optische Verfahren (Polarisation)• Strom - Spannungskennlinien• Reibung/Viskosität
Spektroskopie• Absorption, Emission von elektromagnetischer Strahlung
(Optische, Infrarot, Raman, Magnetische Resonanz, Photoelektronen), Dieelektrische Spektroskopie, Akustische Spektroskopie
• Quantenmechanischer Ansatz: Energien,Wellenfunktionen, Übergangsmomente
• Born-Oppenheimer Näherung: Separation von Elektron-, Kernbewegungen (Schwingungen)
• Heisenbergsche Unschärfe-Relation• Kohärenz• Kontinuums Ansatz: Dielektrische Konstante, Absorption,
Brechungsindex, Reflexion, Polarisation
• Spektrale-, zeitliche Auflösung, Empfindlichkeit, Mikroskopie
Spektrale Auflösung
• Heisenbergsche Unschärferelation• Homogene Verbreiterung durch dynamische Prozesse• Inhomogene Verbreiterung durch statische „Unordnung“• Ensemble- Zeitmittelung
• Kohärente Verfahren, Doppel-“Resonanz“verfahren• Spektrale Selektion Lochbrennen),
Einzelmolekültechniken
Zeitauflösung, Empfindlichkeit
• Femtosekunden - Monate (22 Größenordnungen)
• Isolation• Stabilität• Detektoren• „Effekt“ - Modulation• Kodierung• Markierung
Streuverfahren
• Röntgenstreuung
• Neutronenstreuung
• Lichtstreuung– Brillouin– Mie– Rayleigh
• Ramanstreuung
Röntgen- /Neutronenstreuung
• Elastische, inelastische Streuung• Strukturbestimmung: Kristalle (Braggreflexe), amorphe
Materialien (Nahordnung)• Kleinwinkelstreuung: Beugung (Aggregate, Partikel)• Ineleastische Streuung: Bestimmung von Phononen
(Schwingungen)• Quasi elstische Streuung: langsame Bewegungen
(Diffusion)
Lichtstreuung
• Photonenstreuung• Dynamik von Dichte- (Molekulargewicht) und Anisotropie
(Orientierungs) - Fluktuationen• Brownsche Molekularbewegung• Quasielastische Streuung• Photonenkorrelationsspektroskopie: Diffusion• Rayleigh-Brillouin Streuung: Dichteschwankungen
(mechanische Größen, Phasenübergänge)
Mikroskopie / Manipulation
• Optische (NMR) Mikroskopie: einfach, Auflösung ~ 300 nm, in vivo
– konfokale Mikroskopie (scannend)– Fluoreszenzmikroskopie (Marker, Kontrast)– 2- Photonen Mikroskopie
• Elektronenmikroskopie: Metallbeschichtung, Auflösung ~ atomar, aufwendig
– Transmission– scannend
• Nahfeld - Mikroskopie: Oberflächen, relativ einfach
– Scanning Tunneling Microscopy (STM): leitende Proben, Auflösung ~atomar
– Atomic Force Microscopy (AFM): Auflöung ~ molekular
– Scanning Near Field Optical Microscopy (SNOM): Auflösung ~ 10 nm
– Chemisches Mikroskop
Kalorimetrische Verfahren
Tunnelmikroskopie
Oberflächenstruktur
Bandgap EngineeringEnergy
CdSe ZnS
VB
CB
EB EG,Bulk
Size dependence
Electron-hole pair
Introduction
+−⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++=
Rεe.
mmRπ
*h
*e
gss EE2
2
2
2211 786111
2h
Small polarizationterm at thesurface
N(E)
EE1/2
Bulk3D
Extended semiconductorContinum of electron energies
N(E)
E
Quantum dot0D
Quantum DotDiscrete electronic energies
Core/shell QD Optical tunabilityIncreased quantum efficiency
Lithography• Etch pillars in quantum well heterostructures
– Quantum well heterostructures give 1D confinement• Mismatch of bandgaps ⇒ potential energy well
– Pillars provide confinement in the other 2 dimensions• Electron beam lithography• Disadvantages: Slow, contamination, low density, defect formation
A. Scherer and H.G. Craighead. Fabrication of small laterally patterned multiple quantum wells. Appl. Phys. Lett., Nov 1986.
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
Quantenwellstrukturen
Laserkristall (GaAs)850 nm
homo hetero Doppel- hetero
Inversionsdichte
Nano - Materialien
•Halbleiter Nanopartikel
•Quantum-Well-Strukturen
•Metallische Nanopartikel
SAM
Halbleiter Nanopartikel• Warum Nanopartikel ?
– Volumen – Oberflächenverhältnis– Qualitative Änderung von Eigenschaften
• Vom Atom zum Festkörper– „quantum size“ Effekte
• Optische Eigenschaften
• Silizium Nanopartikel
– Poröses Silizium
• Kolloidale Halbleiter
• 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:
• Kantenlänge d =10 nm: ca 80.000 Si Atome
• Kantenlänge d= 1nm: ca 100 Si Atome, alle an der Oberfläche
-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
Tunnelmikroskopie STM
Eigenschaften
• Optische Eigenschaften– Absorption
• Metalle• Halbleiter
– Emission• Halbleiter
– Streuung• Metalle
Semiconductor Quantum - Dots
CdSe Silicon
Linnros
Meier
Größenabhängige Farbe
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
Eg Eg Eg
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
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
Quntendots in Lösungen
TOPO
ZnS Shell
CdSe Core
Kolloidale Quantum Dots - Oberfläche
Evident Technologies, Inc.
P
C H3
C H3
C H3
O
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 auf GaAs SiGe auf 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
Lithography• Etch pillars in quantum well heterostructures
– Quantum well heterostructures give 1D confinement• Mismatch of bandgaps ⇒ potential energy well
– Pillars provide confinement in the other 2 dimensions• Electron beam lithography• Disadvantages: Slow, contamination, low density, defect formation
A. Scherer and H.G. Craighead. Fabrication of small laterally patterned multiple quantum wells. Appl. Phys. Lett., Nov 1986.
Halbleiter Quanten – Well Strukturen
• Halbleitereigenschaften– Dotierte Halbleiter– pn-Übergänge
• Optische Eigenschaften von Halbleitern– Absorption, Emission, stimulierte Emission
• Lasereigenschaften• Halbleiterlaser• Quantenwell - Strukturen und Laser• Quantendot Laser
Diodenlaser
Halbleiter
Rekombination von Elektron-Loch Paaren
Energieschema einer GaAlP-Laserdiode. Die aktive Zone ist zwischen einer p- und einer n-dotierten Schicht eingeschlossen.
Bandlücken von Halbleitermaterialien
Laserkristall (GaAs)850 nm
homo hetero Doppel- hetero
Inversionsdichte
Miniaturisierung
Färbung von Glas
vorne: Goldrubinglas in Überfangtechnik mitte: Überfangkappen aus reinem Goldrubinglas, vor dem Sintern klar, nach dem Sintern rubinrot, hinten: Glas mit Färbung aus Silber-Nanopartikeln)(Hersteller: Nachtmann)
Farbdreieck: Absorption
Rayleigh Streuung/Mie-Streuung