Podcasts about ladungstrennung

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.

Photokatalyse zählt zu den Zukunftstechnologien der Energieerzeugung und -speicherung. Kolloidale Nanopartikelsysteme gelten als potentielle Lösungsansätze, da sie als „schwimmende Nanokraftwerke“ in wässriger Lösung langfristig eine effiziente in situ Umwandlung von Sonnenenergie in Brennstoff versprechen. In dieser Arbeit wurde erstmals mit kolloidalen Halbleiternanopartikeln photokatalytische Wasserstoffproduktion erzielt. Im Detail wurde Wasser mit kolloidalen, platindekorierten Cadmiumsulfidnanostäbchen zu Wasserstoff reduziert. Die Oxidation des Wassser zu Sauerstoff wurde durch Zugabe eines Reduktionsmittels (Lochfänger) substituiert, z.B. Sulfit, das durch das Photoloch zu Sulfat reduziert wird. Bei der photochemischen Platindekoration wurden neben den erwarteten Platinnanopartikeln mit 4 - 5nm Durchmesser auch Subnanometer große Platincluster entdeckt, die trotz der geringeren Menge an deponierten Platin auf den Nanostäbchen die gleiche Quanteneffizienz demonstrieren. Zum tiefgreifenden Verständnis eines photokatalytischen Nanopartikelsystems wurde erstmals die Ladungsträgerdynamik der Photoladungen während der Wasserstoffproduktion mit transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Es stellt sich heraus, dass der Elektronentransfer zum Platin mit zunehmender Platinmenge beschleunigt wird. Entgegen der Erwartung stellt man bei Zugabe des Lochfängers zur photokatalytischen Aktivierung des Systems eine Verlangsamung der Ladungstransfer zum Platin um eine Größenordnung fest, obwohl man intuitiv bei Wasserstoffproduktion einen beschleunigten Elektronentransfer zum Katalysator gegenüber einem inaktiven System erwarten würde. Der reduzierte Transfer des Elektrons zum Platin resultiert aus komplexer Wechselwirkung von Elektron und Loch, das zur Lokalisation des Elektrons an der Oberfläche oder zur Delokalisation in Volumenzuständen führt. Je nach Zustand der Elektronenwellenfunktion folgt ein größerer oder geringerer Überlapp der Wellenfunktion mit der Platindekoration an der Oberfläche, was die Transferrate direkt beeinflusst. Des Weiteren wurde der Einfluss des Reduktionspotentials des Lochfängers auf die Quanteneffizienz untersucht und festgestellt, dass mit stärkerer Reduktionskraft auch die Effizienz der Wasserstoffproduktion steigt. Dies ist auf eine beschleunigte Ladungstrennung des Exzitons durch effizientere Oxidation des Lochfängers durch das Photoloch zurückzuführen. In einem weiteren Projekt wurde eine neue Depositionsmethode entwickelt, mit der auf Monolagenfilmen aus Cadmiumsulfidnanostäbchen im Ultrahochvakuum Platincluster mit definierter Anzahl von Clustern pro Nanostäbchen und kontrollierter Anzahl von Platinatomen pro Cluster deponiert wurden.

Am Max-Planck-Institut für Quantenoptik steht das 10 Hz Lasersystem ATLAS zur Verfügung, dessen Pulse bei einer Dauer von 160 fs Energien bis zu 800 mJ erreichen und auf Intensitäten bis zu 1019 W/cm2 fokussiert werden können. Bei Bestrahlung dünner Festkörper-Folien (Targets) mit solchen Intensitäten werden zuerst Elektronen auf relativistische Geschwindigkeiten   1 beschleunigt. Diese Elektronen durchdringen das Target und verlassen es rückseitig in Richtung des Laserstrahles bei ponderomotiver Beschleunigung oder entlang der Targetnormalen bei Beschleunigung durch Resonanz-Absorption. Mit konventionellen Magnetfeld-Spektrometern kann nur die Energieverteilung derartiger Elektronenströme bis in den MeV-Bereich bestimmt werden. Da die Elektronen nach dem Target im Vakuum eine Wegstrecke von einigen cm zurücklegen müssen, unterliegen diese Ströme allerdings der Alfven-Grenze IA = 17,5  kA. Ab dieser Stromstärke werden die Elektronen von ihrem eigenen Magnetfeld auf Kreisbahnen gezwungen, so daß der Teilchenfluß zusammenbricht bis der Alfven-Wert unterschritten ist. Bei Laser-Plasma-Experimenten können nun Stromstärken deutlich größer als 1 MegaAmpere auftreten, so daß man gezwungen ist, die Elektronen-Diagnostik unmittelbar mit dem Beschleunigungsbereich des Laser-Targets zu verbinden, wie dies bei der Messung von Röntgenstrahlung oder der Übergangsstrahlung möglich ist. Da der Energiebereich der Röntgendiagnostik um die 10 keV und optische Abbildungen wegen der kleinen Wellenlänge auf wenige Möglichkeiten eingeschränkt sind, können nur begrenzt Aussagen über die Auswirkungen von relativistischen Elektronen bei der Wechselwirkung mit Plasmen gemacht werden. Die Übergangsstrahlung ist sensitiv für den gesamten Energiebereich und deswegen eine Unterscheidung der Elektronen in Energie und dazugehöriger räumlicher Verteilung schwierig. Mit dem Cerenkov-Effekt steht in dieser Arbeit eine Diagnostik zur Verfügung, die auf Elektronenströme aus der Laser-Plasma-Wechselwirkung bei relativistischen Intenstitäten >1018 W/cm2 anwendbar ist. Der Brechungsindex eines optisch transparenten Cerenkov-Mediums legt zusammen mit der optischen Abbildung des Cerenkov-Lichts (im sichtbaren Spektralbereich) den Energiebereich zwischen 180 keV und 230 keV - bei Trajektorien parallel zur Targetnormalen - fest. Mit sehr dünnen Cerenkov-Medien (z.B. 50 µm Tesafilm, direkt auf die Targetrückseite aufgeklebt) und einer schnell geschalteten CCD kann eine örtliche Auflösung bis zu 4 µm genutzt werden, um die Stromprofile und die Anzahl der Elektronen zu messen. Bei Aluminium- und Polypropylen-Targets mit einer Dicke bis zu 10 µm werden filamentierte Elektronenströme großer Dichte gemessen, die von dem Laserpuls in einem ausgedehnten Vorplasma beschleunigt werden. Mit zunehmender Targetdicke verschwindet die Filamentierung und geht in zwei breite Gauß-förmige Lichtverteilungen über. Entsprechend den experimentellen Verhältnissen werden diese beiden Elektronenströme den Beschleunigungsmechanismen der Resonanz-Absorption und der ponderomotiven Kraft zugeordnet. Auch im Fall der Filamentierung wird nachgewiesen, daß die Elektronen ponderomotiv beschleunigt werden. Dazu läßt sich die Anzahl der gemessenen Elektronen (proportional zur Anzahl der Cerenkov Photonen und zur Dicke des Cerenkov Mediums) als Funktion der Laser-Intensität auswerten. Darüber hinaus zeigen Experimente unter Einsatz einer weiteren Pockelszelle nach dem Regenerativen Verstärker, mit dem sich der ASE-Vorpuls (amplified spontaneous emission) mit einer Dauer zwischen 0,5 und 5 ns kontrollieren läßt, daß das Vorplasma einen wesentlichen Einfluß auf die Elektronenbeschleunigung hat. Die ASE-Intensität und -Energie ist groß genug (1012 W/cm2), um ein Vorplasma mit unterkritischer Dichte ( ) zu zünden, in dem die Länge des Dichtegradienten von der Größenordnung (100 µm) der Ringdurchmesser der filamentierten Strukturen ist. Der Durchmesser eines einzelnen Stromfilaments von mehr als 10 µm wird vor allem durch die Hintergrundplasmadichte eingestellt, in dem durch die Ladungstrennung starke Rückströme aufgebaut werden. In dieser Situation der sich begegnenden Ströme können die Magnetfelder zumindest teilweise kompensiert werden, so daß die Vorwärtsströme die Alfven-Grenze für die Stromstärke um viele Größenordnungen übersteigen können. Bei diesen Verhältnissen bilden sich über die Weibel-Instabiltiät die filamentierten Ringstrukturen, die bereits in entsprechenden 2D- und 3D-PIC-Simulationen (Particle-In-Cell) untersucht wurden. In diesem Zusammenhang wurde auch das sog. Anomale Stoppen vorhergesagt, das zu einem Energieübertrag der Elektronen an das Hintergrundplasma führt, der deutlich größer ist als bei klassischen Coulomb-Stößen. Das Anomale Stoppen geht zurück auf die Koaleszenz ("merging") benachbarter Filamente, die jeweils ein Vielfaches der Alfven-Stromstärke transportieren können. Die dabei aufgebauten starken elektrischen und magnetischen Felder (1010 V/cm, Mega-Gauss) beziehen ihren Energieinhalt aus der kinetischen Energie der Elektronen und Übertragen diesen in einer lokalen, räumlichen Expansion an die Plasma-Ionen. Durch Messung der Elektronenzahl in Abhängigkeit von der Target-Dicke kann die deutliche Abnahme der Stromstärke nach wenigen µm Festkörperdicke nachgewiesen werden. Anhand eines einfachen Modells wird der Energieübertrag numerisch simuliert und mit klassischen Verlustmechanismen verglichen.