Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2617
Main Title: Electronic and vibrational properties of carbon and CdSe nanostructures
Translated Title: Elektronische und vibronische Eigenschaften von Kohlenstoff- und CdSe-Nanostrukturen
Author(s): Mohr, Marcel
Advisor(s): Thomsen, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Mit ab-initio (lat: von Anfang an) oder first-principles werden Berechnungen bezeichet, die ohne empirische Parameter durchgeführt wurden. In dieser Arbeit untersuche ich mit ab-initio Methoden die Phononen und die elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen. Als untersuchte Nanostrukturen wurden zwei Arten ausgewählt, aus einer Atomsorte bestehende und aus einem binärem Halbleitermaterial aufgebaute Strukturen: Kohlenstoff- und CdSe basierte Strukturen. Kohlenstoff-basierenden Nanostrukturen existieren in einer Vielzahl an Formen. Hier fokussiere ich mich auf eine monoatomaren Lage Graphit, dem sogenannten Graphen, Kohlenstoffnanorröhren und Graphennanostreifen. Diese stehen modellhaft für ein- und zweidimensionale Systeme. CdSe-Nanostrukturen sind ebenfalls niederdimensionale Systeme und lassen sich in großen Mengen mit wohldefinierten Abmessungen erzeugen. Dies macht sie direkt für Anwendungen interesssant. Hierbei wurden hauptsächlich das vielversprechende System der CdSe Nanodrähte untersucht. Die Rechnungen wurden durch den Einsatz von Symmetrien optimiert und die Ressourcen konnten besser genutzt werden. Bei der Auswertung der Ergebnisse vereinfachten die Symmetrien die Analyse, z. B., bei der Klassifizierung in entartete und nicht-entartete Eigenzustände der Systeme. Begleitet wurden die Rechnungen durch inelastische Streuung mit sichtbarem Licht (der sog. Ramanstreuung) und mit Röntgenlicht (IXS, engl.: inelastic x-ray scattering),die eine Bestimmung der Frequenzen der Phononen erlauben. Innerhalb der Arbeit wurde eine vollständige Messung der Phononendispersion entlang der Hochsymmetrierichtungen von Graphit durchgeführt. Die Ergebnisse der Messung wurden in ein 15-parametriges Kraftkonstantenmodell übertragen, dasWechselwirkungen bis zum 5. Nachbarn berücksichtigt, und eine gute Beschreibung der Dispersion erlaubt. Spezielle Verspannungen in Graphen können eine Bandlücke erzeugen. Die Frage, ob dies mit uniaxialer Verspannung ebenso möglich ist, konnte verneint werden. Der Übergangspunkt von Valenz- und Leitungsband entfernt sich von den Hochsymmetriepunkten. Diese Beobachtung wurde erst durch genaue Betrachtung der Bandstruktur in der ganzen zweidimensionalen Brillouinzone ermöglicht. Vorhersagen zur Verschiebung der Ramanmoden in verspanntem Graphen führten zu Diskrepanzen mit vorhandenen experimentellen Daten. Eine Erweiterung des Doppelresonanzmodells löste diese auf und konnte die beobachteten Ergebnisse erklären. Dies trug zum Verständnis der Entstehung der D- und 2D-mode bei, die in allen sp2 hybridisierten Kohlenstoffstrukturen vorkommt. Es wurde eine radiale Atmungsmode [engl: radial-breathing-mode (RBM)] in kristallinen Nanodrähten vorhergesagt, die eine Bestimmung des Durchmessers mittels spektroskopischer Methoden erlaubt. Aufgrund dieser Vorhersage konnte die RBM erstmals in Ramanexperimenten an CdSe Nanostäbchen nachgewiesen werden. Der Einfluß einer ZnS-Hülle auf den CdSe-Kern von Nanodrähten wurde untersucht. Es wurde eine Abnahme der Bindungslängen im CdSe-Kern gefunden. Die Verspannungen, die durch die ZnS-Hülle erzeugt werden, führen zu einer Erhöhung der RBM-Frequenz. Dies wird bei einer doppellagigen Hülle verstärkt und ebenfalls im Experiment bestätigt. Die gewachsene ZnS-Hülle erhöht die Quantenausbeute bei Photolumineszensmessungen um eine Größenordnung [1]. Dies wurde zuerst einer Verbesserung der kristallinen Struktur zugeschrieben. Eine räumliche Trennung der Loch- und Elektronenwellenfunktion in Kern und Hülle kann diese Erhöhung auch leicht erklären. Die viel größere Bandlücke von kristallinem ZnS gegenüber kristallinem CdSe machte diese Interpretation eher unwahrscheinlich. In meinen atomistischen Rechnungen von kleinen CdSe/ZnS Kern/Hülle Nanodrähten ist das Auftreten eines Typ-II Heteroübergangs jedoch klar zu sehen. Dieses Typ-II Verhalten wurde später auch für die sehr ähnlichen CdSe/ZnS Kern/Hülle Nanokristalle experimentell beobachtet [2].
Ab-initio (lat: from the beginning) or first-principles denote a calculation that is performed without empirical parameters. In this work I apply ab-initio methods to investigate the electronic and vibrational properties of nanostructures. Two types of nanostructures were chosen, elementary structures and binary compounds: carbon and CdSe-based systems. Carbon-based structures exist in a variety of different forms. I focus on a single-atomic layer of graphite, the so-called graphene, carbon nanotubes and graphene nanoribbons. These systems exemplary represent one- and two-dimensional systems. CdSe-based nanostructres are low-dimensional structures as well, and can be synthesized in large scales with well defined dimensions. This makes them directly interesting for applications. Among them I focus on the promising CdSe-nanowires. The calculations were optimized through the use of symmetries, where the available resources could be used more efficiently. Analysis of the results was simplified by symmetries as well, for example, the classification into he degenerated or non-degenerated eigenstates of the systen. The calculations were accompanied by inelastic scattering with visible light (Raman scattering) and X-rays (IXS, inelastic X-ray scattering), which allows a determination of phonon frequencies. During the thesis a complete measurement of the phonon dispersion of graphite was performed along the high-symmetry directions. The results were fitted with a 15-parameter force-constant model, which involves interaction up to the fifth-nearest neighbor, and allows a good description of the dispersion. Nonuniform strain can induce a band gap in graphene. The question, if this also applies to niaxial strain could be resolved. The crossing point of valence and conduction band moves away from the points of high-symmetry. This observation was only achieved by a detailed investigation of the electronic band structure in two dimensions. Predictions of the strain-induced Raman shift in graphene lead to discrepancies with experimental data. An extension of the double-resonant model solved them and is able to explain the observed results. This gave insight into the origin of the D- and 2D-mode, which is present in all sp2-hybridized carbon nanostructures. In crystalline nanowires we predicted a radial-breathing mode (RBM), which allows for a determination of the nanowire diameter with spectroscopic methods. The calculations lead to the first experimental observation of the RBM. The effect of a ZnS shell on the CdSe core of nanowires was investigated. A decrease of the bond length of the CdSe core was found. The strain from the ZnS-shell leads to an increase in RBM-frequency. This is enhanced by a double-layer shell and was verified experimentally. The grown ZnS-shell around CdSe-rods improves the quantum yield in photoluminescence experiments by an order of magnitude [1]. This was believed to be due to an increase in crystalline quality. However a separation of the wavefunction of the hole and the electron into the core and the shell can explain this higher quantum yield very naturally. The much larger bandgap of bulk ZnS compared to that of CdSe made such considerations at first very unlikely. In my atomistic calculations of CdSe/ZnS core shell nanowires this transition into a type-II heterojunction is clearly visible. This type-II heterojunction behaviour was then observed experimentally for the very similar CdSe/ZnS core/shell nanocrystals [2].
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28207
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2914
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2617
Exam Date: 23-Jul-2010
Issue Date: 25-Oct-2010
Date Available: 25-Oct-2010
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): CdSe
DFT
Graphen
Nanodrähte
Nanoröhren
CdSe
DFT
Graphene
Nanotubes
Nanowires
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 2 Mathematik und Naturwissenschaften » Institut für Festkörperphysik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_29.pdf8.59 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.