Synthesis, characterization and single particle spectroscopy of semiconductor quantum dots and quantum dot oligomers

Abstract

Kolloidale Halbleiter-Quantenpunkte (QDs) sind aufgrund ihrer größenabhängigen optischen Eigenschaften von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse. Im ersten Teil dieser Dissertation wurde Kern/Schale/Schale CdSe/CdS/ZnS-QDs synthetisiert und als Bausteine für QD-Dimere verwendet. Während des Dimerisierungsprozesses wurden die QDs in einem Fällungs/Re-Dispersionsverfahren zunächst in Oligimore überführt, von denen die Dimere durch Dichtegradienten-Ultrazentrifugation angereichert wurden. Die so erhaltenen Monomere und Homo-Dimere wurden mittels konfokaler Einzelmolekülspektroskopie bei 295 K und 4,5 K untersucht. QD Hetero-Dimere, deren Komponenten eine ähnliche Größe jedoch unterschiedliche Zusammensetzung besitzen, konnten mit einem kombinierten Rasterkraft-Konfokal-Mikroskops identifiziert und charakterisiert werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurden InP/ZnSeS QDs mit einem radialen Gradienten bezüglich Zusammensetzung und Struktur hergestellt und charakterisiert, wobei der Se-Anteil einen wesentlichen Einfluss auf die photophysikalischen Eigenschaften hat. Die beste Probe mit einem Se-Anteil von 0,2 mmol besitzt eine hohe Fluoreszenzquantenausbeute von 85% und zeigte im Einzelmolekülexperiment eine starke Verringerung des Fluoreszenzblinkens, sodass sich die Partikel im Mittel zu 85% der Beobachtungsdauer im fluoreszierenden Zustand befanden. Die Verringerung des Fluoreszenzblinkens wird der Reduzierung der Grenzflächenbelastung und -defekte, der Quasi-Typ-II-Elektronenstruktur sowie des glatten Bandkantenenergiepotentials, das durch die Gradientenstruktur entsteht, zugeschrieben.

Semiconductor colloidal quantum dots (QDs) gain scientific and technological interest due to their size-dependent optical properties. In this thesis, (1) core/shell/shell CdSe/CdS/ZnS QDs have been synthesized and used as building blocks to construct QD dimers. The dimerization includes assembly of QDs into oligomers by a precipitation/re-dispersion process and subsequent enrichment of the dimers by density gradient ultracentrifugation. Single particle spectroscopy of the obtained monomers and homo-dimers has been performed at 295 K and 4.5 K. QD hetero-dimers, whose components have with similar sizes but different compositions, could be identified and characterized by a combined setup of atomic force and confocal fluorescence microscopy. (2) InP/ZnSeS QDs with radial gradient composition and structure have been prepared and characterized, whereas the amount of Se has a significant influence on the photo physical properties. The best sample with 0.2 mmol Se exhibits a high fluorescence quantum yield (85%) and a strong fluorescence blinking suppression, with an average on time fraction of 85%. This blinking suppression is tentatively attributed to the reduction of the interfacial strain and defects, the quasi-type-II electronic structure and the smooth band edge energy potential with a soft confinement derived from the gradient internal structure.