Locally Doped Nanorods: Introducing Distance-Dependence in Excitonic Nanostructures
Solid State and Surface Chemistry, Material Synthesis
Synthesis and Properties of Functional Materials
Final Report Abstract
In dem Projekt “Lokal dotierte Nanorods: Abstand als neue Dimension für exzitonische Nanostrukturen” sollten Fremdatome, insbesondere Übergangsmetallionen, in Halbleiternanokristalle eingebracht werden. Dies sollte auf eine Weise realisiert werden, dass sich die Verteilung der Fremdatome nicht homogen über die Partikel, sondern lokalisiert und auf einen Bereich beschränkt vorliegt. Hierfür wurden eindimensionale Nanostäbchen aus Cadmiumsulfid mit einem Cadmiumselenid-Kern als Modellsystem gewählt, in denen eine anisotrope Verteilung entlang der Achse der Stäbchen leicht spektroskopisch zu verifizieren ist. Als Fremdatome wurden Mangan(II) und Cobalt(II) verwendet, die beide ein magnetisches Moment besitzen, das als zusätzliche Funktionalität durch die Dotierung in das Material eingebracht wird. Im Rahmen des Projektes wurde eine lokalisierte Dotierung mit Co2+ an beiden Enden der CdS-Stäbchen erfolgreich durchgeführt. Die Position der Fremdatome wurde mittels Fluoreszenzspektroskopie nachgewiesen, da im Kristall der Halbleiter eingebaute Co2+-Ionen einen nichtstrahlenden Relaxationskanal für angeregte Elektron-Loch-Paare darstellen, der in direkter Konkurrenz zur strahlenden Relaxation im CdSe-Kern steht. Damit stellt der Abstand zwischen den Fremdatomen und dem CdSe-Kern den wichtigsten Parameter dar, der die Fluoreszenz-Lebensdauer in dem System beeinflusst. In diesem Projekt konnten wichtige Erkenntnisse über die Stabilität der dotierten Nanopartikel gewonnen werden: So lässt sich durch eine verzögerte Zugabe der Fremdatome in der Wachstumsreaktion eine räumlich eingeschränkte Dotierung prinzipiell erreichen. Diese ist aber labil gegenüber der Diffusion der Fremdatome, was zu einer Haltbarkeit der lokal dotierten Partikel bei Raumtemperatur in der Größenordnung von Tagen führt. Die Aktivierungsenergie der Diffusion wurde bestimmt und spricht für einen Diffusionsprozess über Zwischengitterplätze. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Dotierung unter kinetischer Kontrolle zum Einbau einer verhältnismäßig großen Zahl an Fremdatomen kommt. Im Zuge der Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichtszustandes kommt daher nicht nur zu einer homogenen Verteilung, sondern auch zu einem Verlust an Dotierung, deren Endzustand durch die Löslichkeit der Fremdatome im Wirtsgitter bestimmt wird. Im Zuge der Bearbeitung dieses Projektes wurden zudem wertvolle Daten zum Wachstumsprozess von Nanostäbchen gewonnen. Ein Verständnis dieses Mechanismus hat es erlaubt, den Prozess der Dotierung besser zu verstehen, z.B. im Hinblick auf den Einbau von Dotieratomen im Vergleich zu Atomen des Wirtsgitters. Überraschend war hier, dass Nanostäbchen unter den hier angewandten Bedingungen nicht aus homogener Lösung nukleieren. Stattdessen liegen heterogen verteilte Hot-Spots hoher Konzentration der nukleierenden Spezies vor. Dies kann erklären, warum der Einbau von Fremdatomen mitunter mit nur sehr niedriger Ausbeute geschieht, da diese nicht Teil der Hot-Spots sind.
Publications
- Switchable Dissociation of Excitons Bound at Strained CdTe/CdS Interfaces. Nanoscale 2018, 10, 22362–22373
Enders, F.; Budweg, A.; Zeng, P.; Lauth, J.; Smith, T. A.; Brida, D.; Boldt, K.
(See online at https://doi.org/10.1039/c8nr07973k) - Kinetically Driven Cadmium Chalcogenide Nanorod Growth Fed by Local Cluster Aggregates. J. Phys. Chem. C 2020, 124, 12774–12783
Fischli, D.; Enders, F.; Boldt, K.
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c02730) - Regioselective Growth Mechanism of Single Semiconductor Tips on CdS Nanorods. Chem. Mater. 2020, 32, 10566–10574
Enders, F.; Sutter, S.; Fischli, D.; Köser, R.; Monter, S.; Cardinal, S.; Boldt, K.
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c03636)
