Abstract:

In dieser Dissertation werden die optischen Eigenschaften photolumineszierender Mikro- und Nanostrukturen untersucht. Gemeinsam ist allen drei betrachteten Systemen, dass die spektrale Charakteristik der Lichtemission durch größenabhängigen Einschluss gegeben ist. Bei den Halbleiter-Nanopartikeln (NP) Cadmiumselenid (CdSe) und Silizium (Si) beruht der Effekt auf einem Quanteneinschluss der Ladungsträger im Nanopartikel-Kern, während die dielektrischen Polymer-Mikrokugeln als sphärische Resonatoren Photonen einschließen. Mittels Mikro-Photolumineszenz-Spektroskopie (µ-PL) wird das Emissionsverhalten einzelner CdSe-NP betrachtet. Sie zeigen ein Blinken der Intensität, bei dem die PL trotz gleichmäßiger Anregung temporär einbricht. Eine Statistik der Länge der An- und Aus-Zeiten offenbart ein Potenzgesetz, welches sich über mehr als 6 Größenordnungen erstreckt. Spektral schwanken Emissionsenergie und Halbwertsbreite des NPs in der Zeit, was dem Einfluss eines einzelnen Elektrons in der Nähe des NPs zugeordnet werden kann. Dies wird von Simulationen weiter untermauert. Zudem wird eine davon unabhängige Blauverschiebung der Emissionswellenlänge in Anwesenheit von Sauerstoff gefunden, welche als Photooxidation gedeutet wird. Diese verkleinert effektiv den Kern und verstärkt das Einschlusspotential, wodurch die Emissionsenergie steigt. Verschiedene Si-NP werden auf ihre exzitonische Struktur untersucht. Dazu wird der zeitliche Zerfall der PL betrachtet, welcher einen gestreckt exponentiellen Verlauf zeigt. Messungen an Einzel-Si-NPn offenbaren eine spektrale Halbwertsbreite von unter 10 meV, wodurch breit emittierende Ensemble-Spektren wellenlängenabhängig aufgeteilt und damit ihrer NP-Größe nach erforscht werden können. Kleinere Partikel zeigen eine schnellere Zerfallsrate, was dem stärkeren Quanteneinschluss zugeordnet werden kann. NP jeder Größe zeigen zudem eine sinkende Zerfallsrate mit fallender Temperatur, aus deren Verlauf auf die exzitonische Aufspaltung in helles und dunkles Exziton geschlossen werden kann. Eine Anpassung der Verläufe mit einem theoretischen Modell ermöglicht den Rückschluss auf die Hülle der NP und deren Absättigung, welche für den Einschluss verantwortlich ist. Es zeigt sich, dass eine Fluor-Sauerstoff-Hülle einen Si-NP-Kern besser absättigt als reiner Sauerstoff, wodurch hohe PL bis Raumtemperatur erreicht wird. Speziell entwickelte Polymere mit einem leuchtenden Hauptstrang werden mittels Dampf-Diffusions-Methode zu sphärischen Mikrokavitäten geformt, welche aufgrund der hohen Polymer-Dielektrizitätszahl das angeregte Licht im Inneren einschließen. Dabei entstehen die Whispering Gallery Modes (WGMs), deren spektrale Positionen und Abstände abhängig vom Kugeldurchmesser sind, während deren Linienbreiten hauptsächlich durch Oberflächenrauigkeit und Absorption bestimmt werden. Ein Abrastern der Kugeln ermöglicht eine direkte Visualisierung des Moden-Umlaufweges. Die dreidimensionale Modenentartung wird aufgehoben, wenn die Kugelsymmetrie gebrochen wird, sodass die Resonanzen aufspalten. Dies wird durch lokale Oxidation verursacht, welche die Kugel in einen prolaten Ellipsoiden verzerrt. Ein Vergleich mit Simulationsrechnungen ermöglicht es, die Verformungen bis auf wenige Nanometer genau aufzulösen.