Self-Assembly of semiconductor nanoplatelets into stacks for applications in nanoelectronics
Creators: name: Graf, Rebecca Tatjana
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Cadmium chalcogenide nanoplatelets
subject: self-assembly
subject: stacking
subject: photoelectrochemistry
subject: Cadmium-Chalcogenid-Nanoplättchen
subject: Zusammenlagerung
subject: Stapelung
subject: Photoelektrochemie
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::540 | Chemie

description: Nanocrystals (NCs) proved to be a highly versatile material class, with the potential to miniaturize devices and with new properties different from their bulk material. Furthermore, new collective properties arise, when the NCs are in close proximity to each other, which is often the case in applications. This thesis focuses on the stacking of cadmium chalcogenide nanoplatelets (NPLs) as interesting model system for 2D semiconductor NC with beneficial structural and optical properties. Due to their anisotropic form, they showed a great affinity to self-assemble into ordered stacks, e.g. through the addition of an antisolvent, leading to multiple collective properties, such as polarised light emission, or charge carrier transport through the stacks. As many interactions depend on the distance between the NCs, the inter-NPL distance was modified through ligand exchanges. The NPLs were destabilized with an antisolvent and encapsulated with an polymer to stabilize the stacks, before being investigated with different optical, elemental, and structural characterisation methods. Not only could the distance between the NPLs be reduced by half, but also enhanced charge carrier transport through the stack was shown for the smaller distances. To further enhance the charge separation by elongating the charge carrier lifetime, metal domains (palladium and platinum) were grown on the NPLs prior to the stacking and polymer encapsulation. The optimization indeed lead to metal decorated NPL stacks which showed a fast charge separation and charge carrier transport through the stacks. As in those experiments dense layers of polymer-encapsulated stacks resulted in slow electrolyte diffusion and an insulation layer around the stacks, a method to stack the NPLs directly in aqueous medium was developed. This opens up different methods to process the NPL stacks in water for the use in nanoelectronics. In order to induce the highest possible degree of stacking in water, the stacking mechanism and the driving forces were evaluated. Thereby, the polarity, as well as amount of the antisolvent was found to be crucial. Furthermore, the ligand length needs to be sufficiently long to stabilize the stacks. As this newly developed stacking procedure allowed the stacking and subsequent processing of the NPLs in aqueous medium, the system could be tuned further e.g. to optimize the charge carrier transport or allow sensing. Here, the beneficial features of NC-based gel networks, such as their high porosity and large active surface, were implemented into the stack system. Thereby, the cryogelation proved to lead to macroporous gel networks with retained stacking in which the high porosity indeed lead to fast electrolyte diffusion and measurable charge carrier transport through the stack-gel. This thesis thus introduced multiple factors to optimize the properties of the stacked NPLs and gives possibilities to investigate other structure-property correlations in aqueous medium in the future.
description: Nanokristalle (engl. nanocrystals, NCs) haben sich als eine äußerst vielseitige Materialklasse erwiesen, die das Potenzial hat die Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen voran zu treiben und zudem neue nanoskopische Eigenschaften aufweist. Desweiteren können neue kollektive Eigenschaften auftreten, wenn die NC einander nahe kommen, wie es häufig für Anwendungen notwendig ist. Diese Arbeit untersucht die Zusammenlagerung und die daraus resultierenden kollektiven Eigenschaften von Nanoplättchen (engl. nanoplatelets, NPLs) aus Cadmium-Chalcogenen. Auf Grund von ihrer anisotropen Form lagern sie sich bevorzugt zu Stapeln zusammen, in denen vielseitige kollektive Eigenschaften, sowie Ladungsträgertransport durch die Stapel oder polarisierte Emission, induziert werden. Da viele Interaktionen abstandsabhängig sind, wurde in dieser Arbeit der Abstand zwischen den NPL durch gezielte Liganden-Austausche variiert. Die NPLs wurden durch ein Nicht-Lösemittel destabilisiert, anschließend von einem Polymer eingehüllt und mit verschiedenen optischen und elementaren Methoden charakterisiert. So konnte nicht nur der Abstand um die Hälfte reduziert werden, sondern es zeigte sich auch ein verbesserter Ladungsträgertransport durch den Stapel für die kleineren Abstände. Um die Ladungstrennung weiter zu verbessern und die Lebensdauer der Ladungsträger zu verlängern, wurden vor dem Stapeln und der Polymerumhüllung Metalldomänen (Palladium und Platin) auf die NPLs aufgewachsen. Die Optimierung führte zu metalldekorierten NPL-Stapeln, die eine schnelle Ladungstrennung und einen guten Ladungsträgertransport durch die Stapel zeigten. Da in diesen Experimenten dichte Schichten von polymerumhüllten Stapeln zu einem langsamen Eindringen des Elektrolyten und einer unleitfähigen Schicht um die Stapel führten, wurde eine Methode entwickelt, um die NPLs direkt in wässrigem Medium zu stapeln. Um einen möglichst hohen Stapelungsgrad in Wasser zu induzieren, wurden der Stapelungsmechanismus und die treibenden Kräfte evaluiert. Sowohl die Polarität als auch die Menge des Nicht- Lösemittels sind entscheidend. Außerdem ist die Ligandenlänge ausschlaggebend für die Stabilität der Stapel. Da dieses neu entwickelte Stapelverfahren die Stapelung und anschließende Verarbeitung der NPLs in wässrigem Medium ermöglichte, konnte das System weiter optimiert werden, um z.B. den Ladungsträgertransport zu verbessern oder Sensorik zu ermöglichen. Dabei wurden die vorteilhaften Eigenschaften von NC-basierten Gel-Netzwerken, wie deren hohe Porosität und große aktive Oberfläche, in das Stapelsystem implementiert. Die Kryogelierung resultierte in makroporösen Gel-Netzwerken mit erhaltener Stapelung, in denen die hohe Porosität zu einer schnellen Elektrolytdiffusion und einem messbaren Ladungsträgertransport durch das Stack-Gel führte. Im Rahmen dieser Arbeit wurden somit mehrere Faktoren zur Optimierung der Eigenschaften der gestapelten NPLs eingeführt. Dies ermöglicht in Zukunft weitere Struktur-Eigenschafts-Korrelationen in wässrigem Medium zu untersuchen.