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Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgrup-
pe soll die Untersuchung der Dynamik
angeregter nanoskaliger Systeme mit
ultraschnellen optischen Verfahren sein.
Zur Zeit wird mit zeitaufgelöster Spekt-
roskopie an Kombinationen aus Graphen
und Halbleiternanokristallen im Kontext
der Photovoltaik gearbeitet, zusätzlich an
weiteren Halbleiter-Kohlenstoff Kombina-
tionen, wie z.B. Halbleiternanokristalle an
Kohlenstoffnanoröhren. Es werden auch
verknüpfte Metall- und Halbleiternanokris-
talle untersucht, deren Dynamik sich fun-
damental von der der Einzelkomponenten
unterscheidet. Das Verständnis der zugrun-
deliegenden Prozesse kann die Steuerung
der optischen Eigenschaften neuartiger
Materialien für optoelektronische Anwen-
dungen erlauben. Die zurzeit genutzten
Verfahren an der Physikalischen Chemie
der Universität Hamburg sind die zeitauf-
gelöste Photolumineszenzspektroskopie
mit Einzelphotonenzählen
(time-correlated
single photon counting)
und die Spektrosko-
pie mit einer
Streak-
Kamera. Beide Verfah-
ren verfolgen zeitaufgelöst die strahlende
Rekombination angeregter Ladungsträger.
Auf nichtstrahlende Prozesse wie Ladungs-
trägertransfer, resonanter Energietransfer
und Rekombination an Störstellen lässt sich
indirekt aus der Änderung der Dynamik bei
geänderten Systemparametern schließen.
Ein direkter Zugang und eine Differenzie-
rung sind nicht möglich. Die zeitaufgelöste
Photolumineszenz liefert dafür Indizien,
jedoch lässt sich z.B. der Ladungsträger-
transfer nicht von konkurrierenden nicht-
strahlenden Prozessen entkoppeln. Hier
helfen sogenannte
pump-probe
Experimen-
te, die die Beobachtung der Ladungsträger
vor der Rekombination, also im angeregten
Zustand, erlauben. In der AG Lange sollen
diese, zur Photolumineszenz komplementä-
ren, Verfahren entwickelt und angewendet
werden, um ein besseres Verständnis der
Dynamik in immer komplexer werdenden
Nanostrukturen zu erhalten.
Strukturen, welche die Kontrolle von
Licht-Materiewechselwirkungen erlauben,
erregen in der aktuellen Forschung ein ho-
Arbeitskreis: Dynamik in Nanostrukturen
Leiter: Prof. Dr. Holger Lange
Der AK Lange ist eine neue, sich im Aufbau befindende Nachwuchsgruppe an der Universität
Hamburg und dem Hamburg Centre for Ultrafast Imaging (CUI).
hes Interesse. Kann man kontrollieren, wie
Licht absorbiert wird, wie die absorbierte
Energie durch das Material transportiert
und abgegeben wird, ergeben sich viele
Möglichkeiten, optoelektronische oder
z.B. photovoltaische Anwendungen zu
verbessern oder neu zu kreieren. Prinzipiell
ist es von hohem Interesse zu verstehen,
wie z.B. optisch oder elektrisch angeregte
Ladungsträger von einer Nanostruktur zu
einer anderen wechseln, welchen Einfluss
erzeugte Quasiteilchen, wie zum Beispiel
Plasmonen in Metallen, auf Strukturen in
der Umgebung haben. Die Zeitskalen der
beteiligten Prozesse sind typischerweise
sehr kurz, im Picosekunden-, Femtosekun-
denbereich. Es werden daher Verfahren
benötigt, die die Dynamik auf solchen
Zeitskalen untersuchen können. Dies sind
ausschließlich optische Verfahren.
Die Methoden müssen Zugang zu den
Mechanismen der Anregung, wie auch der
nachfolgenden Relaxation, schaffen und
die Eigenschaften der angeregten Ladungs-
träger aufklären. In Abbildung 1 ist exem-
Abbildung 1: Spektroskopie an Halbleiternanokristallen auf Graphen. Oben links: Überblick
über die Probengeometrie. Unten links: Reflektiertes Anregungslicht. Das Graphen durch die
konstante Absorption von ca. 2% klar zu erkennen. Unten rechts: Photolumineszensintensität.
Die strahlende Rekombination der Nanokristalle auf Graphen wird unterdrückt.
plarisch eine Kombination aus Halbleiter-
nanokristallen und Graphen dargestellt.
Dabei möchte man verstehen, ob und wie
optisch angeregte Ladungsträger in den
Nanokristallen in das Graphen wechseln,
welches als Elektrodenmaterial für eine
Solarzelle dienen könnte. Die Änderung der
Lumineszenz der Nanokristalle auf Gra-
phen ist ein Indiz für einen Energie- oder
Ladungsträgertransfer. Exemplarische zeit-
aufgelöste Experimente sind in Abbildung 2
dargestellt. Die Lumineszenz der regulären
Bandkantenrekombination, welche bei den
verwendeten PbS Nanokristallen eine Le-
bensdauer von Nanosekunden hat, ist auf
dem Graphen sichtbar unterdrückt.
Dazu gibt es eine schnelle Komponente
im Picosekundenbereich, welche auf einen
schnellen Wechsel der Ladungsträger von
den Nanokristallen zum Graphen schließen
lässt.
