Elektrische Manipulation der Lichtemission von einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen

Kolloidale Halbleiternanokristalle sind aufgrund ihrer vom
Ultravioletten bis weit ins Infrarote durchstimmbaren
Emissionswellenlänge besonders interessante Nanostrukturen für
zukünftige optoelektronische Bauelemente und werden daher zurzeit
intensiv erforscht. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht
die Untersuchung und Manipulation der Lichtemission von neuartigen,
stäbchenförmigen Cadmiumselenid/Cadmiumsulfid (CdSe/CdS)
Nanokristallen in einem Einzelpartikelfluoreszenzaufbau. Diese
Nanokristalle bestehen aus einem sphärischen CdSe-Kern, an den ein
CdS-Nanostäbchen monokristallin gewachsen wird. Dadurch entstehen
räumlich asymmetrische Halbleiternanostäbchen mit einem
Aspektverhältnis zwischen 1,6 und 4,0. Durch die Messung der
strahlenden Rate konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das
Elektron über das gesamte Nanostäbchen delokalisiert ist,
wohingegen das Loch im CdSe-Kern lokalisiert ist. Daher kann man
durch die Länge des Cadmiumsulfidstäbchens den
Wellenfunktionsüberlapp direkt manipulieren. Die Wellenfunktionen
und damit die Emissionsenergien können neben der Geometrie
insbesondere auch durch externe elektrische Felder kontrolliert
werden. Da die Größe dieses so genannten „Starkeffekts in
quantenbeschränkten Strukturen“ mit der räumlichen Ausdehnung der
Nanostruktur zunimmt, konnte in den Nanostäbchen ein, verglichen zu
sphärischen Nanokristallen, deutlich erhöhter Feldeffekt beobachtet
werden. Experimente an einzelnen CdSe/CdS Nanostäbchen zeigen aber
nicht nur eine Verschiebung der Emissionsenergie um das 50-fache
der Linienbreite, sondern zugleich eine feldinduzierte Abnahme der
Emissionsintensität um eine Größenordnung. Die experimentellen
Ergebnisse lassen sich hervorragend mit einem theoretischen Modell
vergleichen. Dazu wurde das effektive Massenmodell um die
Coulombwechselwirkung ergänzt und durch eine finite Elemente
Methode für asymmetrische Geometrien erweitert. Damit ist es
möglich, sowohl die strahlende Rate, die Starkverschiebung der
Emissionsenergie wie auch die Intensitätsmodulation durch
elektrische Felder qualitativ und quantitativ vorherzusagen und den
Starkeffekt in kolloidalen Nanokristallen durch ein
quantenmechanisches Modell zu beschreiben. Die
Emissionscharakteristik wird nicht nur durch externe Felder,
sondern auch durch Fluktuationen lokaler Felder beeinflusst, welche
durch diffundierende Oberflächenladungen entstehen. Diese lokalen
Feldveränderungen induzieren ebenfalls eine Starkverschiebung und
führen zu einer zeitlichen Variation der Emissionsenergie. Durch
die elongierte Form der Nanostäbchen ist es erstmals gelungen, bei
kolloidalen Nanokristallen die Bewegung von Oberflächenladungen auf
der Nanometerskala zu beobachten. In dieser Arbeit wird gezeigt,
dass man dabei zwischen einer zufälligen Bewegung der
Oberflächenladungen um den Ladungsschwerpunkt und der Verschiebung
des Ladungsträgerschwerpunkts unterscheiden kann.