Zeitaufgelöste Messungen an CdSe Nanopartikeln

Mit den Mitteln der Infrarotspektroskopie wurde der Einfluss der
organischen Hülle auf Struktur und Dynamik von CdSe Nanopartikeln
untersucht. Zunächst wurde ein Verfahren entwickelt, das es
ermöglicht, aus dem statischen Infrarotspektrum Informationen über
die Qualität der organischen Hülle und das Bindungsverhalten der
Liganden zu gewinnen. An qualitativ hochwertigen und gut
charakterisierten Proben wurde anschließend die Dynamik des
niederenergetischsten Elektronenniveaus 1S nach optischer Anregung
im Sichtbaren zeitaufgelöst gemessen. Als Referenz diente CdSe
TOPO, das durch Proben mit den Liganden Octanthiol, Octansäure,
Octylamin, Naphthoquinon, Benzoquinon und Pyridin ergänzt wurde.
Die untersuchten Nanopartikel hatten einen Durchmesser von 4.86 nm.
Mit Hilfe des Anreg-Abtast- oder Pump-Probe-Verfahrens wurden
zunächst Messungen im Pikosekundenbereich durchgeführt. Die
Anregungswellenlängen wurden dabei spektral eingeschränkt und so
gewählt, dass selektiv die Übergänge 1S-1S und 1P-1P, nicht aber
der dazwischenliegende 2S-1S-Übergang, angeregt wurden. Die
Anregungsintensitäten wurden bewusst so niedrig gehalten, dass die
Anregung mehrerer Exzitonen in einem Kristall vermieden werden
konnte. Die Abtastwellenlänge im Infraroten entsprach der
Energiedifferenz zwischen den Elektronenniveaus 1S und 1P. Die
Transienten im Pikosekundenbereich zeichnen sich durch einen
steilen Anstieg des Signals aus, auf den ein multiexponentieller
Zerfall folgt. Der Anstieg, der die Bevölkerung des angeregten
Zustands widerspiegelt, ist unabhängig von der Wahl der Liganden.
Der Einfluss der organischen Hülle wird erst in den
unterschiedlichen Zerfallszeiten der angeregten Elektronenniveaus
sichtbar. Der Zerfall des Messsignals von CdSe TOPO lässt sich
näherungsweise mit drei Zeitkonstanten beschreiben: eine
Zerfallszeit im frühen Pikosekundenbereich, eine Zeitkonstante um
die hundert Pikosekunden und eine Zeitkonstante bei einigen
Nanosekunden. Bei ansteigender Abtastwellenlänge werden die
Zerfallszeiten länger. Durch gezielte Anregung des 1S-1S und des
1P-1P-Übergangs konnte der Zerfall des 1P-Zustands in den
energetisch günstigeren 1S-Zustand beoachtet werden, der im
verzögerten Anstieg des Messsignals bei Anregung des
1P-1P-Übergangs sichtbar wird. Dem Übergang zwischen den
Elektronenniveaus 1P und 1S konnte eine Zeitkonstante von ca. 190
fs zugewiesen werden, die nicht von der Wahl der organischen Hülle
beeinflusst wird. Nanopartikel mit den Liganden TOPO, Pyridin und
Octanthiol zeigen auch nach 3 ns noch ein gut sichtbares
Messsignal. An diesen Proben wurden Messungen im
Nanosekundenbereich durchgeführt. Auch hier ist der Einfluss der
organischen Hülle auf die Dynamik der Nanopartikelprobe deutlich zu
erkennen. Mit der Kombination beider Messreihen konnte erstmals ein
Zeitbereich abgedeckt werden, der sich von einigen hundert
Femtosekunden bis in den Mikrosekundenbereich hinein erstreckt.