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Main Title: Theory of excitation transfer in nanostructures influenced by vibrational modes
Translated Title: Theorie des Anregungstransfers in Nanostrukturen unter dem Einfluss von Vibrationsmoden
Author(s): Schoth, Mario
Advisor(s): Knorr, Andreas
Referee(s): Knorr, Andreas
Renger, Thomas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit untersucht den Anregungstransfer in Nanostrukturen unter dem Einfluss von Vibrationsmoden der Umgebung. Im Zuge der Erhöhung der Effizienzausbeute photovoltaischer Bauelemente liegt der Fokus zunehmend auf der Nutzung von neuen Nanostrukturen, wie etwa Quantentöpfen, Quantenpunkten oder Graphen. Diese Strukturen wurden durch Fortschritte der Materialphysik nutzbar. Zum einen ist die Ladungsträgerdynamik in solchen Nanostrukturen stark von Quanteneffekten geprägt, was neue Prozesse ermöglicht, die in ausgedehnten Strukturen nicht möglich sind. Zum anderen werden durch die schwächere Bindung an die Umgebung bestimmte Prozesse unterdrückt, die andernfalls zu einem Energieverlust führen würden. Die Suche nach einem effizienten photovoltaischen Bauelement, das geeignet wäre, die bestehende Solarzellentechnologie abzulösen, führt zu einer Vielzahl von Teilproblemen. Diese Arbeit widmet sich dem Problem der effizienten Ausnutzung des Sonnenspektrums und dem Problem des effizienten Anregungstransfers in Nanostrukturen. Im ersten Teil der Arbeit werden Mechanismen von biologischen Lichtsammelkomplexen untersucht. Diese nutzen delokalisierte Anregungen, um einen sehr schnellen und effizienten Anregungstransfer vom Ort der Entstehung zum Reaktionszentrum zu erreichen. Zusätzlich zu der Kopplung zwischen den Systemen die durch die Coulombwechselwirkung hervorgerufen wird, wird die Ladungsträgerdynamik auch durch komplexe Vibrationsmoden des Moleküls beeinflusst. Mit Methoden, die der Halbleiterphysik entliehen sind, wird die Ladungsträgerdynamik solcher biologischer Systeme modelliert. Die so gewonnenen Erkenntnisse zur Ladungsträgerdynamik werden genutzt um Absorptions- und nichtlineare Polarisationsspektroskopie (NLPF) Experimente zu beschreiben, wobei Ergebnisse früherer Forschung reproduziert werden. Zusätzlich werden auch Effekte der inhomogenen Verbreiterung im Model berücksichtigt. Durch die Ergebnisse konnte eine neuartige Technik zur Linienverengung (line narrowing) vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, die Effekte der inhomogenen Verbreiterung aufzuheben - sogar in stark inhomogen verbreiterten Umgebungen. Im zweiten Teil der Arbeit liegt der Fokus auf den Möglichkeiten, die photovoltaische Effizienz mittels Ladungsvervielfachung zu erhöhen. Dieser Prozess ermöglicht es den hochenergetischen Teil des Spektrums effizient auszunutzen, in dem für jedes einfallende Photon mehrere freie Ladungsträger erzeugt werden. Am Beispiel eines Modellsystems für einen kolloidalen CdSe-Quantenpunkt kann die Ladungsträgerdynamik in einem nicht-markovschen Ansatz gewonnen werden. Diese Dynamik beinhaltet Wechselwirkungen des Multilevelsystems mit dem Lichtfeld und den akustischen Phononen des Quantenpunktes - unter Berücksichtigung der Coulombeffekte zwischen den Ladungsträgern. Für den Quantenpunkt werden sowohl die elektronischen Wellenfunktionen als auch die Phononmoden mit einer mikroskopisch angelehnten Theorie berechnet, wobei Diskretisierungseffekte durch die räumliche Einengung berücksichtigt wurden. Damit können Coulombkopplungselemente und auch Kopplungsstärken der Ladungsträger-Phononen-Wechselwirkung berechnet werden. An diesem Modellsystem kann nicht nur gezeigt werden, dass Ladungsträgervervielfachung möglich ist, sondern auch, dass die Anwesenheit von Phononen einen positiven Einfluss auf deren Effizienz haben kann. Das wird durch ein Zusammenspiel der coulombinduzierten Hybridisierung der Zustände und der Ladungsträger-Phonon-Wechselwirkung ermöglicht. Dieser Prozess erlaubt einen Anregungstransfer zwischen Zuständen, selbst wenn diese nicht direkt über die Coulombwechselwirkung gekoppelt sind, weshalb die Effizienz der Ladungsträgervervielfachung stark von diesen neuartigen Prozessen profitieren könnte.
In this work the excitation transfer in nanostructures under influence of vibrational modes of the environment is investigated. For increasing the photovoltaic conversion efficiency, the focus is shifting to the utilization of novel nanostructures, such as quantum wells, quantum dots or graphene, that became within reach through advances in material physics. On the one hand, the carrier dynamics in such nanostructures are highly governed by quantum effects, which enables new processes that are not possible using bulk material. On the other hand, due to a weaker coupling to the surroundings, certain processes are suppressed, that otherwise lead to a loss of energy. From the many possible problems encountered on the way to an efficient photovoltaic device that might supersede current solar cell technologies, this work addresses the two problem of how to achieve an efficient utilization of the spectrum and how an efficient transport of excitation between the nanostructures is possible. In the first part, mechanisms of biological light-harvesting complexes are investigated. These complexes utilize delocalized excitations to achieve a fast and efficient transfer of excitation from the place of its creation towards the reaction center. Additional to the Coulomb mediated coupling between the systems, the carrier dynamics are influenced by complex vibrational modes of the molecules. Using methods taken from semiconductor physics, the carrier dynamics of such biological light-harvesting complexes are modeled. The obtained insights on the dynamics of electrons and excited states can be used to describe absorption and non-linear polarization spectroscopy (NLPF) experiments, where it is possible to reproduce the results of prior works. Additionally, the effects of inhomogeneous broadening are modeled as well. From the results a novel line-narrowing technique could be proposed, that is suited to reverse the effects of inhomogeneous broadening and allows to access the homogeneous line width in an ensemble measurement, even in a strongly inhomogeneously broadened environment. In the second part, the focus lies on a way to increase the photovoltaic conversion efficiency through the process carrier multiplication. This process allows to more efficiently utilize the high-energy part of the spectrum by creating multiple carriers per incident photon. For the model system of a colloidal CdSe quantum dot, the carrier dynamics are obtained using a non-Markovian treatment. The dynamics include interactions of the multi-level system with the light field and the acoustical phonons of the quantum dot, while considering the Coulomb effects between the carriers. For the quantum dot, electronic wave functions as well as phonon modes are obtained using a microscopically motivated theory, where the discretization effects, due to the spatial confinement were considered. With these, Coulomb coupling elements as well as coupling strengths of the carrier-phonon interaction are calculated. Using the model system, it is found that carrier multiplication is possible. Even more, it can be shown, that in a colloidal quantum dot the presence of phonons can have a positive effect on carrier multiplication, due to an interplay of Coulomb-induced state hybridization and carrier-phonon interaction. This process enables an excitation transfer between states that are not directly coupled via Coulomb interaction and carrier multiplication efficiency could greatly benefit from these new relaxation pathways.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-59430
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4566
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4269
Exam Date: 6-Jun-2014
Issue Date: 4-Dec-2014
Date Available: 4-Dec-2014
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Försterkopplung
Ladungsträgervervielfachung
Nichtlineare Polarisationsspektroskopie
Phononmoden
Quantenpunkte
Carrier multiplication
Förster-coupling
Phonon modes
Quantum dots
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