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Heiko Groiss - Nanokristalle atomar abgebildet

Transmission Electron Microscopy of self-organised PbTe/CdTe Nanocrystals

oder

Nanokristalle atomar abgebildet

Heiko Groiss
angefertigt an der Abteilung für Halbleiterphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik

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Die meisten Gasmoleküle in der Atmosphäre haben charakteristische optische Anregungslinien im sogenannten "mittleren Infrarotbereich" bei Wellenlängen von 1 - 10 µm. Misst man die Absorption von Laserlicht in einem bestimmten Volumen, so lässt sich die Konzentration des entsprechenden Gases bestimmen. Dies eignet sich ausgezeichnet zur Überwachung der Atmosphäre auf Schadstoffe und Umweltgifte. Dazu benötigt man Laser, die auf die Wellenlänge des entsprechenden Moleküls abgestimmt sind. Leider sind geeignete Laser groß, ineffizient und teuer, da leistungsfähige Lasermaterialien fehlen. Daran ist bisher eine flächendeckende Umweltüberwachung entlang von Autobahnen oder in Industriegebieten gescheitert.

Ein attraktives Materialdesign für geeignete Laser besteht darin, aus Halbleitern sogenannte "Quantenpunkte" herzustellen. Diese zeigen diskrete Energieniveaus (wie Atome) und weisen insbesondere einen stark erhöhten Wirkungsgrad bei der Lichtemission auf, sodass kleine, effiziente Laser in den Bereich des Möglichen rücken.

Abb1: (a) Eine konventionelle Transmissions-Elektronenmikroskopaufnahme eines PbTe Nanokristalles. (b) Eine Transmissionselektronenmikroskopaufnahme in hoher Auflösung. Die unterschiedlichen Kristallgitterstrukturen des Nanokristalls und des Umgebungsmaterials sind erkennbar

Abb2: Ein Rhomboedrischer Cubo-Oktaeder. Die erzeugten Nanokristalle besitzen wie dieser Cubo-Oktaeder drei unterschiedliche Oberflächen und sind hoch symmetrisch.

In seiner Diplomarbeit untersuchte Herr Groiss Quantenpunkte aus Bleitellurid (PbTe), eingebettet in Cadmiumtellurid (CdTe). Zuerst erzeugt man dünne Schichten aus PbTe mit einer Dicke von 1 bis 10 nm (4 - 30 Atomlagen) und bedeckt sie mit CdTe. Heizt man derartige Proben auf etwa 300°C auf, so zerfällt die PbTe Schicht, und es bilden sich in einem Selbstorganisations-Mechanismus hochsymmetrische PbTe-Nanokristalle in der Form von Rhomboedrischen Cubo-Oktaedern (Würfel mit gekappten Ecken und Kanten). Die Grenzflächen zur CdTe Umgebung sind dabei atomar scharf. Die Größe der Nanokristalle ist abhängig von der ursprünglichen Schichtdicke. Die Quantenpunkte können Licht im mittleren Infrarot emittieren, somit erfüllen sie eine wesentliche Bedingung für den künftigen Einsatz in Lasern.

Abb3: (a) Querschnitt (oben) und Draufsicht (unten) einer Probe, die ursprünglich eine 3nm dicke PbTe Schicht enthielt. Die durch Tempern erzeugten Nanokristalle sind scheibenförmig mit Höhen von ungefähr 10nm und Durchmessern von 10-50nm. Durch längeres Tempern werden die Nanokristalle hochsymmetrisch. (b) Querschnitt (oben) und Draufsicht (unten) einer getemperten 1nm dicken PbTe Schicht. Die erzeugten Quantenpunkte sind hochsymetrisch mit Größen um die 8nm.

Das Hauptaugenmerk der Arbeit galt der strukturellen Charakterisierung der Quantenpunkte mit dem Transmissions - Elektronenmikroskop. Bei dieser Technik der Nanoanalytik durchdringen Elektronen mit 200.000eV ein sehr dünnes Präparat und bilden über magnetische Linsen dessen Kristallgitter ab. In Verbindung mit Simulationen wird die Struktur der Grenzflächen zwischen den Nanokristallen und ihrer Umgebung rekonstruiert. Ein detailliertes Verständnis dieser Grenz- flächen ist wesentlich, da sie großen Einfluss auf die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte und deren Eignung für den Einsatz in Lasern haben.

Abb4: Hochaufgelöste Grenzflächen der PbTe Schicht, eingebettet in CdTe. (a) und (b) sind zwei gegenüberliegende Grenzflächen. In Kombination mit Simulationsrechnungen konnte gezeigt werden, das die Grenzflächen unterschiedliche Strukturen aufweisen, wie sie links im Bild am Gittermodel gezeigt werden.