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