Wenige Nanometer grosse Halbleiterteilchen besitzen eine geometrische Ausdehnung, die im Bereich der Ausdehnung ihrer elektronischen Wellenfunktionen liegt. Sie weisen daher physikalische Eigenschaften auf, die wegen ihres Charakters als "Quanten-Punkte" grundlegende Unterschiede im Vergleich zum Volumenmaterial zeigen.

Hier werden vornehmlich die linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften diverser Cadmium-Chalkogenid Cluster (CdS, CdSe, CdTe) untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Veränderungen dieser Eigenschaften durch

• die zunehmende Verringerung der Teilchengrösse
• die Wechselwirkung der Teilchen mit dem Wirts-Material

Chemische Cluster-Synthese

Die verwendeten Cluster (= Nanoteilchen) werden durch chemische Verfahren präpariert. Grundlage dafür sind Fällungsreaktionen der Art

Charakterisierungsmethoden

Wichtigste Charakterisierungsmethode für unsere Proben ist die optische Spektroskopie. Dies umfasst sowohl Absorptionsmessungen als auch Photolumineszenz- und Raman-Untersuchungen.

Zur Untersuchung der nichtlinearen optischen Eigenschaften dient ein Messplatz zur Bestimmung der Effizienz der Erzeugung von Harmonischen und ein Messplatz zur Bestimmung der Intensitätsabhängigkeit der Transmission (Absorptionssättigung).

Unterstützt werden diese Experimente durch eine Charakterisierung der Clustermorphologie mittels

• Transmissions-/Raster-Elektronenmikroskopie,
• Rastertunnel-/Rasterkraftmikroskopie und
• Röntgendiffraktometrie

Ergebnisse

Die Einschränkung der Wellenfunktion, d.h. der Bewegungsmöglichkeit der Elektronen, auf die geometrische Grösse der Cluster führt zu einer Diskretisierung der elektronischen Energiezustände. Cluster besitzen damit eine elektronische Struktur, die in einem Übergangsbereich von Molekülen zu Festkörpern angesiedelt ist.

Eine erste Konsequenz der zusätzlichen Quantisierungsenergie ist die Vergrösserung der Bandlücke in einem Cluster im Vergleich zum Volumenmaterial. Dies führt zu einer grössenabhängigen Blauverschiebung der optischen Absorptionskante.

Die linke Abbildung zeigt die gemessenen Absorptions- und Photolumineszenzspektren einer CdS Volumenprobe und einer Clusterprobe mit mittlerem Teilchendurchmesser von 1.4 nm. Die Blauverschiebung sowohl der Absorption als auch der Emission (Photolumineszenz) ist deutlich erkennbar. Die rechte Abbildung zeigt die auf die excitonische Rydbergenergie normierte Verschiebung als Funktion der Clustergrösse, ebenfalls normiert auf den excitonischen Bohr-Radius. Diese Normierung erlaubt es, Werte für verschiedene Materialien in einem Diagramm darzustellen. Gleichzeitig ist das Ergebnis einer Rechnung dargestellt, die auf einem erweiterten Kastenpotential-Modell für die Elektronen im Cluster basiert.

Die Maxima von Absorption und Emission sind leicht gegeneinander versetzt. Der Unterschied rührt daher, dass das optisch angeregte Exciton vor seiner Rekombination an einem Phonon streut und dabei Energie verliert, die dann bei der Emission "fehlt". Auch diese Stokes-Verschiebung ist von der Clustergrösse abhängig.

Nichtlineare optische Eigenschaften

Auch die nichtlinearen optischen Eigenschaften der Cluster werden durch die Diskretisierung der elektronischen Energiezustände bestimmt. Speziell für nichtlineare Prozesse 2. Ordnung, die in ideal kugelsymmetrischen Teilchen eigentlich gar nicht auftreten sollten, spielt aber zudem die Gestalt der Oberfläche (insbesondere Abweichungen von der Kugelform) und die Grenzflächen-Wechselwirkungen mit einem Wirts-Material eine entscheidende Rolle.

Die Abbildung zeigt die Abhängigkeit der effektiven SHG Effizienz von CdS Teilchen verschiedener Grösse als Funktion des Volumenfüllanteils in einer Polymer-Matrix. Die durchgezogenen Linien ergeben sich aus einer Erweiterung des Clausius-Mosotti-Ansatzes für effektive Medien auf stark nichtlineare Systeme, wie sie von Palenberg und Felderhof [Phys. Rev. B55, 10326 (1997)] durchgeführt wurde.