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Optische und elektronische Eigenschaften von halbleitenden Nanopartikeln

Gondorf, Andreas

In der vorliegenden Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften halbleitender Nanopartikel untersucht. Es wird die Strom-Spannungs-Charakteristik einer Submonolage von Silizium-Nanopartikeln, die in eine Si3N4-Matrix eingebettet sind, berechnet und mit experimentellen Daten von Cho et al. verglichen. Dabei wird untersucht, ob Quantisierungseffekte wie die Coulomb-Blockade auch in den U-I-Kenn- linien eines Systems, das aus vielen Partikeln besteht, zu erwarten sind. Mit Hilfe von Reflexionsmessungen werden Silizium- und Germanium- Nanopartikel, die zu Presslingen kompaktiert wurden, untersucht. Dabei geht es darum die Ladungsträgerdichte in den Partikel zu bestimmen und zu untersuchen wie sich die Core-Shell-Struktur der Partikel (Ge/Si-Kern und eine Hülle aus Germaniumoxid bzw. Siliziumoxid) auf die Reflexionsspektren auswirkt. Des Weiteren wird der Einfluss von Dotierung auf die Eigenschaften der Partikel untersucht. Mit optischer Spektroskopie und Magneto-Transport-Messungen werden dünne Schichten aus zum Teil versinterten Indiumzinnoxid-Nanopartikeln (ITO-Nanopartikeln) untersucht. In optischer Spektroskopie wird die Dielektrizitätsfunktion der Partikel im Hochfrequenzbereich und daraus Ladungsträgerkonzentration und Beweglichkeit bestimmt. Magneto-Transport-Messungen ermöglichen es die Hall-Spannung und die makroskopische Leitfähigkeit zu bestimmen. Aus diesen Messungen (unter Berücksichtigung theoretisch hergeleiteter Korrekturfaktoren [Kharitonov2008]) lässt sich ebenfalls die Ladungsträgerkonzentration und die Beweglichkeit bestimmen. Die Kombination beider Messmethoden erlaubt einen Einblick in die elektronische Struktur dieses Systems. Schichten aus ITO-Nanopartikeln haben zudem die Eigenschaft, dass sobald ein Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung angelegt wird, sich deren spezifischer Widerstand verringert. Man spricht vom negativen transversalen Magnetowiderstand. Die Messergebnisse werden mit der Theorie der schwachen Lokalisierung in granularen Systemen erklärt. Dabei zeigt sich allerdings fu ̈r die Dephasierungszeit τH aufgrund des Magnetfeldes eine andere als von der Theorie vorhergesagte Abha ̈ngigkeit (Experiment: 1/τH ∝ H^1,6, Theorie: 1/τH ∝ H^2). Ergänzend zu diesen Messungen wird nanoporöses Gold (NPG) untersucht. Das NPG zeigt auch einen Magnetowiderstand, dieser ist jedoch positiv (der Widerstand steigt mit zunehmendem Magnetfeld). Die Ergebnisse lassen sich gut mit der Fuchs-Sondheimer-Theorie erklären, obwohl diese für dünne, nicht poröse Metallschichten aufgestellt wurde. Es kann die Magnetfeldabhängigkeit des Magnetowiderstandes und die mittlere freie Wegla ̈nge der Ladungsträger ermittelt werden.

In the present thesis, the electronic properties of semiconducting nanoparticles are investigated. The I-V-characteristics of a submonolayer of silicon nanoparticles, embedded in a Si3N4-matrix are calculated. The calculated results are compared to those found experimentally by Cho et al. It is investigated whether quantization effects, like the Coulomb blockade, can also be observed in systems, which contain many particles. Compacted silicon and germanium nanoparticle powders are analyzed by reflection measurements. The goal is to determine the carrier density and to find how the core-shell-structure (Ge/Si core and Ge/Si oxide shell) affects the reflection spectra. Furthermore, the influence of doping on the properties of the nanoparticles is investigated. Optical spectroscopy and magneto-transport measurements are performed on thin films, consisting of indium tin oxide nanoparticles (ITO nanoparticles). In optical spectroscopy the dielectric function in the high frequency region is determined. With the known dielectric function the charge carrier concentration as well as the mobility can be calculated. With magneto- transport measurements it is possible to measure the Hall voltage and the macroscopic conductivity. By taking into account the theoretically derived correction factor [Kharitonov2008] the carrier density and macroscopic mobility can be determined. Thus, the combination of the two measurement methods allows an insight into the electronic structure of this system. Additionally, layers consisting of ITO nanoparticles exhibit a decreasing resistivity when a magnetic field is applied perpendicular to the current orientation. This effect is called negative transverse magnetoresistance. The experimental results can be explained by the weak localization theory of granular systems. For the dephasing time τH, however, we find a different dependence on the magnetic field than predicted by theory (experiment: 1/τH ∝ H^1,6, theory: 1/τH ∝ H^2). For comparison, the magneto-transport properties of nanoporous gold (NPG), a second nanostructured system, have been investigated. In this system, however, the magnetoresistance is positive (the resistance rises with an increasing magnetic field). The results can be explained by the Fuchs-Sondheimer theory, even though it was developed for non porous thin metal layers. The dependence of the magnetoresistance on the magnetic field as well as the mean free path are determined.

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Gondorf, Andreas: Optische und elektronische Eigenschaften von halbleitenden Nanopartikeln. 2011.

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