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Nanopartikel aus der Gasphase für optische und elektrische Anwendungen

Theis, Jens

In dieser Arbeit werden die optischen und elektrischen Eigenschaften von in der Gasphase hergestellten, halbleitenden Nanopartikeln untersucht. Dabei handelt es sich im einzelnen um Nanopartikel aus Silizium, Zinkoxid und Eisendisilizid. Es wird die Eignung von Silizium-Nanopartikeln als Lichtemitter untersucht. Dabei werden zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt: Zum einen die Einbettung der Nanopartikel als Emitterschicht in anorganische Schichten auf halbleitenden Substraten und zum anderen die Einbettung in Schichten aus elektrisch leitfähigen Polymeren auf Glassubstraten. Zuerst wird die Photolumineszenz der verwendeten Si-Nanopartikel, der Substrate und der Polymere untersucht und anschließend mit der Elektrolumineszenz der daraus produzierten Nanopartikel-LEDs verglichen. Das Spektrum der anorganischen Nanopartikel-LEDs setzt sich dabei aus der Emission von Nanopartikeln und Substrat zusammen. Analog dazu setzt sich das Spektrum der organischen Nanopartikel-LEDs aus der Emission von Nanopartikeln und den verwendeten Polymeren zusammen. Bei Zinkoxid sind, neben den optischen Eigenschaften dieses Materials, die elektrischen Eigenschaften von Interesse. Die Herstellung des verwendeten Zinkoxids erfolgte in der Gasphase mit Hilfe eines Plasmareaktors. Durch Variation der Prozessparameter, wie Druck und Leistung, konnte die Größe der Nanopartikel kontrolliert und so die bisher kleinsten Zinkoxid-Nanopartikel hergestellt werden. Die Untersuchung der optischen Eigenschaften erfolgte mittels Messung der Photolumineszenz. Dabei konnte eine sehr hohe Quanteneffizienz von 60% gemessen werden, die höchste, die bisher in der Literatur erwähnt wird. Die Wellenlänge sinkt mit dem Partikeldurchmesser und liegt aufgrund des quantenmechanischen Einschlusses unterhalb der Wellenlänge des Volumenmaterials. Die optischen Eigenschaften, in diesem Fall Quanteneffizienz und Defektlumineszenz, werden dabei stark von OH-Gruppen auf der Partikeloberfläche beeinflusst. Zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften wird das Zinkoxid in einer wässrigen Lösung dispergiert und mittels eines Druckers in Schichten auf vorstrukturierten Substraten gedruckt. Im Anschluss erfolgt die Sinterung dieser gedruckten Schichten mittels UV-Laser. Der elektrische Widerstand kann durch diesen Sinterprozess um zwei Größenordnungen verringert werden. Das beobachtete elektrische Verhalten der ZnO-Schichten entspricht dem eines Varistors. Zusätzlich trat bei einigen Messungen das Verhalten eines Memristors auf. Eisendisilizid ist in der beta-Phase ein halbleitendes Material. Im Heißwand-Reaktor hergestelltes, phasenreines beta-FeSi2 wird in Ethanol dispergiert und zur Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften in Schichten auf lithographisch vorstrukturierten Substraten aufgeschleudert. Die auf diese Weise hergestellten Schichten wurden untersucht und weisen eine hohe Porosität von 75% auf. Bei der Aufnahme von Strom-Spannungskurven wird eine geschlossene Hysteresekurve beobachtet, was auf eine Ladungsspeicherung hindeutet. Durch eine gezielte Lade- und Entladeprozedur konnte anschließend eine spezifische Speicherkapazität im Bereich von 1 F/g nachgewiesen werden, was für Kondensatoren ohne Elektrolyten eine enorme Kapazität darstellt. Die Untersuchung auf Einflüsse durch die Umgebung ergibt eine exponentielle Abhängigkeit der Speicherkapazität von der Luftfeuchtigkeit. Es werden weitere Substanzen und deren physikalische Eigenschaften im Hinblick auf die Speicherkapazität untersucht. Im Anschluss werden Untersuchungen zur möglichen Ursache der hohen Speicherkapazität durchgeführt. Bei Vergleichsmessungen mit anderen halbleitenden Nanopartikeln konnte ebenfalls eine Ladungsspeicherung beobachtet werden.

In this thesis, the optical and electrical properties of semiconducting nanoparticles from the gas phase are studied, - specifically nanoparticles made of silicon, zinc oxide and iron disilicide. The suitability of silicon nanoparticles as a light emitting material is studied. Two different approaches are used: in the first approach, the nanoparticles are embedded as a light emitting medium, embedded in inorganic layers on semiconducting substrates. Alternatively, the nanoparticles are embedded in layers of electrically conductive polymers on glass substrates. The photoluminescence of the silicon nanoparticles used, the substrates and the polymers is examined and compared to the electroluminescence emitted by the fabricated nanoparticle LEDs. The spectrum of the inorganic nanoparticle LEDs is composed of the emission from the nanoparticles and the substrate. On the organic nanoparticle LEDs, the spectrum is composed of the emission from the nanoparticles and polymers. In the case of zinc oxide, in addition to the optical properties, the electrical properties of this material are also in the focus of interest. The zinc oxide nanoparticles used for this work are produced from the gas phase using a plasma reactor. By varying the production process parameters, such as pressure and microwave power, the size of the resulting nanoparticles were monitored and, as a result, the smallest zinc oxide nanoparticles so far have been produced. The optical characteristics of the nanoparticles were examined by photoluminescence. A very high quantum efficiency of 60% was measured, which is the highest reported in the literature so far. The emitted wavelength is smaller than the wavelength of the bulk material and decreases with particle diameter, which is due to the quantum mechanical confinement. The optical properties, in this case defect luminescence and quantum efficiency, are strongly influenced by OH-groups present on the nanoparticle surface. To determine the electrical properties of this material, zinc oxide is dispersed in an aqueous solution and printed by an ink-jet printer in layers on pre-patterned substrates. Simultaneously with the printing of these layers, sintering is carried out by a laser. The electrical resistance can be reduced by a laser-sintering process in the range of two orders of magnitude. The observed electrical behavior of the ZnO layers corresponds to a varistor. In addition, some IV-curves showed the behavior of a memristor. Iron disilicide in its beta-phase is a semiconducting material. Made in a hot-wall reactor, pure-phase beta-FeSi2 is dispersed in ethanol and spun as layers on lithographically pre-patterned substrates to characterize its electrical properties. Layers produced by this method have been investigated and show a high porosity with an porosity of about 75%. When recording the current-voltage curves, a closed hysteresis is observed, indicating the existence of a charge storage process. Through standardised charging and discharging procedures, a specific storage capacity in the range of 1 F/g was measured, which is an enormous capacity for electrolyte-free capacitors. Studies on the environmental influences on the charge storage, result in an exponential dependence on the air humidity. Further substances and their physical properties are investigated to find a correlation with the charge storage capacity. Additional investigations on the possible origin of the high storage capacity were performed. Measurements with other semiconducting nanoparticles were conducted for comparison and a charge storage in these particles could also be observed.

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Theis, Jens: Nanopartikel aus der Gasphase für optische und elektrische Anwendungen. 2016.

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