Charge separation and transfer in hybrid type II tunneling structures of CdTe and CdSe nanocrystals

Halbleiter-Nanokristalle sind eine besondere Materialklasse in den
Nanowissenschaften. Sie sind kleinste Halbleiter-Kristalle, die an
ihrer Oberfläche mittels organischer Chemie passiviert wurden.
Damit können Sie auf völlig neue Arten produziert, prozessiert und
zu größeren hybriden Überstrukturen zusammengesetzt werden. In
diesen Nanomaterialien treten neue Effekte insbesondere durch die
Größeneinschränkung auf. Es stellt sich vielfach die Frage, welche
Eigenschaften von den Halbleiter-Materialien übernommen werden und
was alleine aufgrund der geometrischen Größenordnung im
Nanometerbereich von 1-10 nm zustande kommt. Diese Arbeit
beschäftigt sich mit dem Nachweis von elektronischem Transfer über
eine quantenmechanische Tunnelbarriere aus organischen Materialien
zwischen dicht gepackten Halbleiternanokristallen. Diese Barriere
besteht aus Molekülen der Oberflächenpassivierung und Material für
die gewählten Selbstorganisationsmethoden, so dass eine organische
Tunnelbarriere von ca. 1 nm zwischen den Nanokristallen der Größe
von ca. 3 nm entsteht. Um elektronischen Tunnel-Transfer
nachzuweisen, wird erfolgreich der intrinsische Typ-II-Bandversatz
der klassischen ausgedehnten CdTe und CdSe-Volumenhalbleitern
ausgenutzt, der bedeutet, dass das globale Valenzbandmaximum in
CdSe und das Leitungsbandminium in CdTe liegen. Es ist daher
Hauptziel der Arbeit, Ladungstrennung in Hybridstrukturen aus dicht
gepackten Typ-II-angeordneten CdTe- und CdSe-
Halbleiternanokristallen nachzuweisen. Mittels
Photolumineszenzspektroskopie wurde indirekt der Elektronenübergang
von CdTe- zu CdSe-Nanokristallen untersucht. Es wurden zwei
verschiedene Methoden zur Selbstorganisation überprüft: ungeordnete
Cluster aus CdTe- und CdSe-Nanokristallen in wässriger Lösung sowie
trockene geschichtete Systeme aus Nanokristall-Monolagen auf
Glassubstraten. In beiden Probensystemen deutet eine
Photolumineszenzunterdrückung um bis zu 70 % bei den
CdTe-Nanokristallen Ladungstrennung durch Elektronenübergang von
CdTe- zu CdSe-Nanokristallen an. Eine maximale Transferrate von um
1/100 ps wurde in geschichteten Proben ermittelt. Neben dem
Elektronentransfer wurde gezeigt, dass Energietransfer von CdSe- zu
CdTe-Nanokristallen stattfindet, der nicht die beobachtete
Photolumineszenzunterdrückung erklärt, da er ihr entgegenwirkt.
Durch Variation der Nanokristallgrößen konnte eine Korrelation der
Photolumineszenzunterdrückung mit dem Versatz der am
Elektronentransfer beteiligten Energieniveaus der Nanokristalle
aufgedeckt werden. Durch diese indirekten Beweise konnte die
Ladungstrennung wie auch der intrinsische Typ-II-Versatz in den
Hybridsystemen der verwendeten CdTe- und CdSe-Nanokristallen
angezeigt werden. Oberflächenphotospannungsmessungen bewiesen
eindeutig die gerichtete Ladungstrennung in geschichteten Systemen
aus CdTe und CdSe Nanokristallen. Die Orientierung der Typ
II-Grenzschicht aus CdTe- und CdSe-Nanokristalllagen bestimmte die
Richtung der Ladungstrennung, so dass eine umgekehrte Schichtfolge
die gemessene Polarität änderte. Der Ladungstransfer wird fast
vollständig unterdrückt, wenn die Barrierendicke verdoppelt wird,
was für Tunneltransfer erwartet wird. Weiterhin wurden
Elektronendiffusion über CdSe-Nanokristallmultischichten und
langsamerer Ladungstransfer über CdTe-Nanokristallmultischichten
nachgewiesen. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten für Anwendungen
zur solaren Energiegewinnung wie Photovoltaik oder
photokatalytischer Wasserspaltung relevant sein.