In-situ monitored growth of semiconductor nanoclusters and nanoparticles

Titelangaben

Ritter, Maria:
In-situ monitored growth of semiconductor nanoclusters and nanoparticles.
Bayreuth , 2018 . - XXIII, 222 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Kolloidale Halbleiter-Nanomaterialien weisen ein umfangreiches Forschungsbiet auf, welches sowohl die nasschemische Herstellung als auch ihre vielversprechenden größenabhängigen Eigenschaften umfasst. Jedoch sind die zugrundeliegenden Nukleations- und Wachstumsmechanismen bis heute noch nicht vollständig verstanden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Halbleiter-Nanomaterialien und deren größenabhängigen optischen Eigenschaften, welche auf den Quantum Confinement Effekt zurückzuführen sind. Die systematische Forschung an stabilisierten Quantum Dots, aber auch die strukturierte Anordnung von Quantum Dots sollen demnach untersucht werden. Zur Strukturaufklärung wurde das Wachstumsverhalten in Echtzeit mittels in-situ und ex-situ Charakterisierungsmethoden untersucht.
Das erste System beschreibt die Herstellung von CdTe-Schichtsilikat Nanokomposite gemäß einer 'hot injection' Synthese in wässrigem Medium. Das Kompositmaterial vereint die Eigenschaften beider Komponenten und ermöglicht die systematische Anreihung von separierten Nanopartikeln entlang des anorganischen Matrixmaterials. Die kontrollierte Anbindung an Schichtsilikat-Kanten ermöglichen die Stabilisierung wohldefinierter Quantum Dot-Arrays. Die Charakterisierung erfolgte mittel UV-Vis Spektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie. Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestätigten zudem die selektive Anordnung der Quantum Dots. Die spezifische Adsorption der Nanopartikel am anorganischen Trägermaterial, die einfache Herstellung der Nanokomposite sowie der Erhalt der optischen Eigenschaften von CdTe Nanopartikeln leisten einen großen Beitrag im Bereich der 'smart materials'.
Für die Synthese von methylammonium-basierenden Perovskiten CH3NH3PbBr3 wurden mikrofluidische Systeme herangezogen. Die diffusionskontrollierte soft-template Synthese wurde in einer Quartzkapillare durchgeführt. In-situ Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) und in-situ UV-Vis Spektroskopie dienten zur Strukturaufklärung. Weitere Untersuchungen erfolgten in einem polymerbasierenden Mikrofluidik Chip in Kombination mit Konfokaler Laser Scanning Mikroskopie (CLSM). Die hohe Kristallinität der Perovskite, die chemische Zusammensetzung und die Morphologien in unterschiedlichen Wachstumsstadien konnten mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (SEM, SAED-TEM) belegt werden. Die Synthese im großen Maßstab, die rasche Synthese im Mikrofluidik Chip und das langsame Interdiffusions-Experiment in der Kapillare beschreiben die strukturelle Entwicklung der ligandstabilisierten Perovskite. Die Selbstorganisation von sphärischen Nanopartikeln (0D) führt zu hochkristallinen Nanoplättchen (2D) und 3-dimensionalen Überstrukturen.
Eine neuartige Raumtemperatur-Synthese von kolloidalen Metallchalcogenid- und Metallhalogenid-Nanoclustern wurde in organischem Lösungsmittel entwickelt. Für die nasschemischen Synthesen von CdS, ZnS, PbS, Ag2S, AgI und AgBr Nanokristallen wurden ionische Reaktionskomponenten zusammen mit organischen Liganden hergestellt. In-situ UV-Vis spektroskopische Untersuchungen demonstrieren den heterogenen Wachstumsprozess der II-VI und IV-VI metallbasierenden Halbleitermaterialien. Durch die systematische Variation der Reaktionsparameter konnte die Strukturentwicklung aufgezeichnet werden. TEM Messungen wurden herangezogen um die Dimensionen der Nanocluster im Subnanometerbereich zu ermitteln. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung erfolgte mittels Röntgendiffraktometrie (XRD) und fortgeschrittenen Elektronenmikroskopie-Techniken (STEM-EDS).

Abstract in weiterer Sprache

Colloidal semiconductor nanomaterials are the subject of an extensive field of research with great interest in their wet-chemical synthesis and size-dependent properties. However, the underlying formation processes of these nano-materials are still not completely understood. The synthesis of sufficiently stabilized nanocrystals, and their assembly into well-defined superstructures needs further investigation before the full potential of these materials can be exploited. In this thesis, appropriate semiconductor nanomaterial systems were chosen to highlight size-related properties arising from quantum confinement effects and to demonstrate their formation process in real-time using in-situ and ex-situ characterization methods.
The first part of the thesis deals with the adsorption of quantum dots onto solid matrices. CdTe quantum dots were synthesized via hot-injection method in the presence of exfoliated hectorite nanoclays in an aqueous medium. The special chemical structures of both components allow the specific adsorption of highly stable nanoparticles on inorganic support material. The structural evolution of CdTe Quantum dots was investigated by tuning the outstanding optical properties. Atomic Force Microscopy (AFM) and fluorescence microscopy are consistent and demonstrate the selective adsorption of quantum dots along the inorganic nanoclay material framework. Large areas of well-separated quantum dot arrays were studied by transmission electron microscopy. The ease of fabrication of the construct and the resulting optical features can be used to create a variety of optoelectronic devices.
In a second study, in-situ Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) and spectroscopic methodologies in combination with ex-situ characterization techniques were used to study the formation of methylammonium-based perovskites CH3NH3PbBr3. A conventional diffusion-controlled perovskite synthesis was adapted onto an automated microfluidic device and a capillary interdiffusion approach and allows the in-situ detection of highly crystalline superstructures through oriented attachment of nanocrystals. The structural evolution of the growth stages of the perovskite nanocrystals were confirmed by advanced ex-situ electron microscopy techniques. Highly crystalline quantum platelets resulting from a reproducible soft-template synthesis provide more insight into the optoelectronic properties of perovskite nanomaterials and show a great potential for future studies.
The knowledge of the CdTe and CH3NH3PbBr3 perovskite quantum dots formation process enables us to go one step further and develop a large scale synthetic route for inorganic nanoclusters. A room temperature synthetic route to diverse colloidal metal chalcogenide and metal halide nanocrystals was developed in organic solvents. Ideal conditions for heterogeneous cluster growth were achieved by balancing all synthetic parameters. The systematic variation of reaction parameters together with monitoring of the size-related optical properties enabled cluster growth to be followed. The composition was analysed by X-ray diffraction (XRD) and advanced electron microscopy techniques (STEM-EDS).