Laserbasierte Methoden zur Steigerung der Photolumineszenz von Si-Quantenpunkten durch Kopplung an plasmonische Partikel

• Antragsteller: Dr. Jürgen Ihlemann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451328931

Silizium-Nanostrukturen (Quantenpunkte) wie Si-Nanokristalle (Si-NC) oder amorphe Si-Cluster sind im Gegensatz zu Volumen-Silizium bei Teilchendurchmessern < 10 nm gute Lichtemitter und Absorber im sichtbaren bis infraroten Spektralbereich. Dies wird u.a. auf Quantum Confinement zurückgeführt. Hierdurch sind Si-Quantenpunkte (Si-QP) z.B. als integrierte aktive Emitter in der Si-Photonik interessant. Aber auch hinsichtlich Anwendungen in der Photovoltaik und Datenspeicherung besitzen derartige Si-QP ein großes Potential: So könnten bisher ineffizient genutzte spektrale Anteile des Sonnenlichts in Si-NC enthaltenden Solarzellen besser verwertet werden. Trotz zahlreicher Verbesserungen ist die Effizienz der Absorption und Emission der Si-QP für viele Anwendungen derzeit noch nicht ausreichend. Ziel dieses Vorhabens ist es daher aufzuzeigen, dass mit Hilfe geeigneter laserbasierter Methoden diese Effizienz durch Kopplung von Si-QP an plasmonische (metallische) Nanopartikel deutlich gesteigert werden kann. Beispielhaft sollen Gold-Nanopartikel (Au-NP) mittels Laserstrahlung in eine Si-QP enthaltende Oxidmatrix implantiert werden. Implantation bedeutet hier das Einbringen von ursprünglich auf der Oberfläche befindlichem Gold in Partikelform unter die Oberfläche. Die Si-QP werden durch eine thermische Behandlung eines SiOx-Films (x < 2) erzeugt. Auch die Generierung der Si-QP mittels Laserbestrahlung wird erprobt. Durch Steuerung des Abstands zwischen regelmäßig angeordneten Si-QP und Au-NP soll die Effizienz der Absorption und Emission gesteigert sowie die Abstrahlcharakteristik gezielt eingestellt werden. Da für die Strukturierung von Silizium und Gold in der Regel komplett andere Prozesstechniken gebräuchlich sind, wurden derartige Kombinationen bisher erst ansatzweise realisiert. Die vielfältigen Materialmodifikationen, welche durch die Prozessierung mittels Laserstrahlung sowohl in der Metall- als auch in der Halbleiterkomponente hervorgerufen werden können (lokales Heizen, Phasenseparation, Entnetzung, Partikel¬bildung, Implantation), ermöglichen Prozesse, die in diesem Zusammenhang noch nahezu unerforscht sind. Der hier verfolgte Ansatz ist deswegen so vielversprechend, weil die Eigenschaften von Metall-Nanopartikeln in zweifacher Weise genutzt werden. Einerseits dienen diese bei der Generierung der Si-QP als lokale Heizer, so dass die sonst bei der laserbasierten Erzeugung von Si-QP beobachteten Probleme überwunden werden. Zusätzlich wirken sie als Antennenstrukturen für die verbesserte und gerichtete Absorption und Emission der Si-QP. Dabei sollen auch diese Antennenstrukturen selbst durch Formgebung (langgestreckte Partikel oder Partikelreihen) und Anordnung (zweidimensionale Arrays) optimiert werden. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse auf andere Materialkombinationen übertragbar und damit von genereller Bedeutung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen