Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3072
Main Title: Raman spectroscopy of ß-carotene and CdSe-based nanocrystals
Translated Title: Raman Spektroskopie an ß-Karotin und auf CdSe basierenden Nanokristallen
Author(s): Tschirner, Norman
Advisor(s): Thomsen, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit ist in zwei Teile gegliedert und untersucht mithilfe der Ramanspektroskopie die Schwingungseigenschaften des natürlichen Farbstoffs ß-Karotin in unterschiedlichen Medien, sowie den Einfluß von epitaktisch gewachsenen Hüllen auf, aus CdSe aufgebauten, sphärische Nanokristallen. In der ersten Hälfte dieser Disseration wird der bei der Photosynthese beteiligte Farbstoff ß-Karotin untersucht. ß-Karotin ist verantwortlich für die Lichtabsorption im Bereich von 460-520 nm und schützt den photoaktiven Organismus des Weiteren vor Schäden durch Radikale bei zu hoher Lichtintensität. Das Ramanspektrum des Moleküls wird in experimenteller sowie gerechneter Form vorgestellt und die vorhandenen Moden entsprechend ihrer Molekülschwingungen charakterisiert. Die Phononenfrequenz der intensivsten Ramanbande zeigt eine Abhängigkeit von der Anregungswellenlänge. Durchgeführte DFT-Rechnungen belegen, dass diese Bande von zwei nah benachbarten Schwingungsmoden gebildet wird. Die wellenlängenabhängige Verschiebung der Bande kann damit auf das unterschiedliche Resonanzverhalten der sie bildenden Untermoden zurückgeführt werden. Dieser Effekt konnte auch in ß-Karotinmolekülen, eingebettet in photoaktive Proteinkomplexe, nachgewiesen werden. Überdies hinaus wurde der Einfluß von endohedral funktionalisiertem ß-Karotin auf die vibronischen und elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren untersucht. Angefertigte Ramananregungsprofile zeigen eine schwache Blauverschiebung des E22-Übergang, sowie eine Abhängigkeit des Grades der Funktionalisierung vom Durchmesser der Nanoröhren. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftig sich mit CdSe-basierten kolloidalen Nanokristallen sphärischer Gestalt. Für diese existieren viele mögliche Anwendungen im Bereich der Optoelektronik und der Biotechnologie. Kolloidale Nanokristalle sind in Lösung synthetisierte Nanopartikel, deren optische Eigenschaften stark von der Größe und Form der Kristalle abhängig sind. Beide Parameter sind durch Anpassung der Synthesebedingungen variierbar und auch das Überwachsen der Kristalle mit einer Hülle aus (wenigstens) einem zweiten Material ist möglich. Eine solche Hülle verbessert die optischen Eigenschaften der Nanokristalle und ermöglicht damit z.B. eine weitere Funktionalisierung der Oberfläche. Auf der anderen Seite verursachen die unterschiedlichen Gitterparameter der verwendeten Stoffe Verspannungen im Nanokristall. In dieser Arbeit wurden die durch CdS- und ZnS-Hüllen entstehenden Verspannungen in Nanokristallen mithilfe der Ramanspektroskopie quantitativ bestimmt und ihre Abhängigkeit bezüglich Hüllendicke und -kompositionen untersucht. Der CdSe-Kern wird duch das Hüllenmaterial kompressiv verspannt, je mehr Hüllenmaterial deponiert wird, desto größer die resultierende Verspannung im Kern. Die Hülle auf der anderen Seite wird tensil verspannt und für reine CdSe/CdS-Nanokristalle wird die Verspannung durch das Wachstum größerer Hüllen reduziert. Eine detailierte Analyse der in den experimentellen Ramanspektren zu sehenden Schwingungsmoden legt überdies hinaus die Bildung einer aus CdSeS bestehenden kristallinen Zwischenschicht nahe. Ebenfalls aus den Ramanmessungen ableitbar ist die Kopplung der longitudinaloptischen Phononen an Exzitonen. Diese Kopplung zeigt ebenfalls eine Größenabhängigkeit und ist im Vergleich zu Volumenmaterial im Falle der Nanokristalle deutlich abgeschwächt. Dies beruht auf dem stark verminderten Einfluß der Coulomb-Wechselwirkung im Falle der Nanokristalle. Für überwachsene Kristalle ist diese Kopplung weiter vermindert was in Bezug gesetzt werden kann zu den unterschiedlichen Einschränkungen der Wellenfuntionen von Elektron und Loch innerhalb des Kern/Hülle-Systems.
This thesis is split into two parts and investigates by means of Raman spectroscopy the vibrational properties of the pigment molecule ß-carotene as well as the influence of epitactical grown shells on CdSe-based colloidal nanocrystals. The first part of this thesis deals with the pigment molecule ß-carotene. In photosynthesis ß-carotene is on the one hand responsible for light absorption in the range of 460 – 520 nm. On the other hand the molecule is capable of protecting the organism by quenching radicals formed by light stress. The Raman spectra of the molecule were measured and calculated and all vibrational modes are characterized. The phonon frequency of the most intense band shows an unusual positional dependence on the excitation wavelength. The performed DFT-calculations reveal that this band is formed by two nearly neighboured submodes. The positional dependence is attributed to the different behaviour of the submodes. This effect could also be shown in ß-carotene containing photoactive protein complexes. Furthermore, the influence of endohedral functionalized ß-carotene on the vibrational and electronical properties of carbon nanotubes was investigated. In the second part of this thesis, spherical CdSe-based nanocrystals are investigated. The nanocrystals are synthesized in solution and their properties are strongly related to their size and shape. Both parameters can be tuned very precisely during synthesis and the overgrowth of the crystal core using a second semiconducting material can improve the optical properties significantly. On the other hand, the different lattice parameters of the used materials might lead to strain within the core/shell system. In this work CdSe cores were covered with shells containing CdS and ZnS. The amount of strain within the crystals is measured quantitatively using Raman spectroscopy and the impact of the shell thickness is investigated as well the influence of the shell composition. All results are compared to ab initio calculations. A detailed analysis of the Raman data also predicts the existence of an alloy layer between the core and the shell layer.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33455
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3369
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3072
Exam Date: 27-Oct-2011
Issue Date: 4-Jan-2012
Date Available: 4-Jan-2012
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Carbon nanotubes
CdSe
Karotin
Kolloidale Nanokristalle
Ramanspektroskopie
Carbon nanotubes
Carotene
CdSe
Colloidal nanocrystals
Raman spectroscopy
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