Development and characterization of optically active materials based on cadmium and lead chalcogenide nanoplatelets
Creators: name: Klepzig, Lars Frederik
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität
Year: 2024
Subjects: subject: Semiconductor Nanoplatelets
subject: Material Development
subject: Time-Resolved Spectroscopy
subject: contains research data
subject: Halbleiternanoplättchen
subject: Materialentwicklung
subject: Zeitaufgelöste Spektroskopie
subject: enthält Forschungsdaten
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::540 | Chemie

description: Two-dimensional (2D) colloidal semiconductor nanoplatelets (NPLs) represent highly interesting materials with attractive properties for optoelectronics. They typically show strong and narrow photoluminescence (PL) paired with a high PL quantum yield, and can be tuned from the visible range to the near-infrared wavelengths technologically relevant for fiber optics. These properties are typically not retained when simply depositing the colloidal dispersions on a solid-state substrate for the use in devices, calling for more elaborate techniques such as encapsulation. In this work, optically active materials are developed using cadmium and lead chalcogenide NPLs. The synthesis of novel NPLs, their post-synthetic treatment, and the encapsulation in inert matrices to form thin films is presented and investigated spectroscopically. After an introduction into the field of 2D semiconductors in Chapter 1, the suitability of colloidal NPLs for the use in quantum communications as single photon emitters is discussed in Chapter 2. Chapter 3 deals with the development of the synthesis of PbSe NPLs as near-infrared light emitters. The facile synthesis at room temperature or 0 °C enables control over the bandgap of the material unachievable by previous synthetic approaches, shifting the PL from 900 nm to 1450 nm. It is found that this tuning is correlated with the lateral size of the NPLs, using the large exciton-BOHR radius of the material to add lateral confinement in addition to the dominant thickness confinement. In a post-synthetic ligand treatment with CdCl2, the contribution of surface trap states is reduced and the PL efficiency increased to up to 37.4 %. Chapter 4 describes a Layer-by-Layer approach to form a composite film of CdSe/CdS core-crown NPLs and different organic polyelectrolytes. The electrostatic interaction between the positively charged polyelectrolytes and NPLs with negatively charged surface ligands is used as a driving force for self-assembly. The choice of polymer and interparticle forces can be used to arrange all NPLs lying flat on the substrate, and to reduce the surface roughness Ra to 14 nm for a film with a thickness of 165 nm. The optical properties resemble those of the NPLs in aqueous dispersions, but the PL quantum yield is reduced to 5 %. In a follow-up study using ultrafast transient absorption spectroscopy and excluding NPL interaction between different layers, the origin of this PL efficiency reduction is examined. Finally, the encapsulation of CdSe/CdS NPLs in an inorganic matrix of zeolitic imidazolate framework (ZIF) is discussed in Chapter 5. By cycled direct growth, highly transparent thin films of ZIFs can be grown within two hours, and NPLs can be introduced by spin-coating between the individual ZIF layers. Since the ZIF coating acts as an antireflective layer, the product is a thin film with a transmittance higher than the uncoated glass while the NPLs still exhibit their typical PL with a PL quantum yield of 8 %. The microporous ZIF coating enables guest-host interactions with analytes such as water and ethanol, which lead to a reversible modification of the PL intensity, opening up the way towards innovative PL-based gas sensors.
description: Zweidimensionale (2D) kolloidale Halbleiternanoplättchen (NPL) verkörpern hochinteressante Materialien mit attraktiven Eigenschaften für die Optoelektronik. Sie zeigen üblicherweise starke und enge Photolumineszenz (PL) gepaart mit einer hohen PL-Quantenausbeute, und können vom sicht¬ba¬ren Bereich bis hin zu den für die Faseroptik technologisch relevanten optischen Wellenlängen im Nahinfrarotbereich angepasst werden. Diese Eigenschaften bleiben typischerweise nicht erhalten, wenn die kolloidalen Dispersionen für die Anwendung auf feste Substrate abgeschieden werden, weswegen aufwendigere Techniken wie die Einkapselung notwendig sind. In dieser Arbeit werden optisch aktive Materialien mit Cadmium- und Bleichalkogenid NPL entwickelt. Die Synthese neuer NPL, ihre post-synthetische Behandlung, und die Einkapselung in inerte Matrizes zur Abscheidung dünner Filme wird präsentiert und spektroskopisch untersucht. Nach einer Einführung über 2D NPL in Kapitel 1 wird die Eignung kolloidaler NPL für den Einsatz als Einzelphotonenemitter in der photonischen Quantentechnologie in Kapitel 2 diskutiert. Die Synthese von PbSe NPL wird in Kapitel 3 entwickelt, die unkompliziert bei Raumtem-peratur oder 0 °C stattfindet. Mit der vorgestellten Methode ist die Bandlücke der Plättchen und somit die PL von 900 nm bis 1450 nm direkt einstellbar. Eine Korrelation zwischen dieser Verschiebung und der lateralen Größe der NPL besteht, weil Exzitonen in PbSe NPL nicht nur in der Dicke beschränkt sind, sondern auch eine laterale Größenquantisierung hinzufügt wird. In einer post-synthetischen Behandlung mit CdCl2 wird der Einfluss von Oberflächendefekten reduziert und die PL-Quantenausbeute auf bis zu 37,4 % erhöht. In Kapitel 4 wird ein Schicht-für-Schicht-Verfahren zur Herstellung von Kompositfilmen aus CdSe/CdS-Kern-Krone-NPL und einem organischen Polyelektrolyten vorgestellt, indem die elektrostatische Wechselwirkung zwischen dem positiv geladenen Polyelektrolyten und den negativ geladenen Oberflächenliganden der NPL als Triebkraft für die Selbstassemblierung genutzt wird. Die Wahl des Polymers und der Kräfte zwischen den Partikeln reduzieren die Oberflächenrauheit Ra des Kompositfilms auf 14 nm bei einer Schichtdicke von 165 nm und können für die Ausrichtung der NPL genutzt werden, sodass alle NPL flach auf dem Substrat liegen. Die optischen Eigenschaften der NPL in wässriger Dispersion bleiben weitgehend erhalten, wobei die PL-Quantenausbeute auf 5 % sinkt. In einer Folgestudie mit ultraschneller transienter Absorptions¬spektroskopie wird die Interaktion zwischen NPL verschiedener Schichten unterbunden und der Ursprung dieser Reduktion untersucht. Zuletzt wird in Kapitel 5 die Einkapselung von CdSe/CdS-NPL in eine anorganische zeoli-thische Imidazolat-Gerüststruktur (ZIF) gezeigt. Durch das zyklische direkte Wachstum kön¬nen hochtransparente Dünnfilme von ZIFs innerhalb von zwei Stunden abgeschieden und NPL durch Rotationsbeschichtung eingebracht wer¬den. Da die ZIF-Beschichtung als Antireflexbeschichtung agiert, wird ein Kompositfilm mit einer höheren Transparenz als das unbeschichtete Glassubstrat erhalten, während die NPL weiterhin eine PL-Quantenausbeute von 8 % zeigen. Der mikroporöse ZIF ermög¬licht Interaktionen mit Gastmolekülen wie Wasser und Ethanol, was zu einer reversiblen Mo¬difikation der PL-Intensität führt. Dies kann beispielsweise für die Entwicklung innovativer PL-basierter Gassensoren genutzt werden.