Multikomponentelle Assemblierungen aus Halbleiter- und Edelmetallnanopartikeln

Abstract

Die folgende Arbeit handelt von Nanopartikeln verschiedener Materialien und deren Assemblierung (Gelierung) mit Hilfe verschiedener Techniken. Konkret werden multikomponentelle Systeme bestehend aus CdSe/CdS (Kern-Schale) Nanostäbchen und Au bzw. Pt Nanopartikeln und -kabeln (im Falle von Au) verwendet und als Modellsysteme zur Untersuchung der Eigenschaften der Netzwerkstrukturen genutzt. Hierbei finden verschiedene Gelierungsmethoden Anwendung, die einen direkten Einfluss auf die Partikel-Konnektivität und deren elektronischen Ladungsaustausch nehmen. Konkret handelt es sich zum einen um oxidative Assemblierungsprozesse mittels Wasserstoffperoxid und zum anderen um Gelierungsmethoden mittels Ionen (Ba2+, Ca2+, S2−, Y3+ und Yb3+). Es wird zunächst untersucht, welchen Einfluss diese verschiedenen Gelierungsmittel auf die resultierende Anordnung anisotroper CdSe/CdS Nanostäbchen innerhalb eines Netzwerkes nehmen (siehe Kapitel 4). Desweiteren werden kolloidale Mischungen von halbleitenden CdSe/CdS Nanostäbchen und Au Nanopartikeln in unterschiedlichen Partikelverhältnissen durch verschiedene Kationen (Ba2+, Ca2+, Y3+ und Yb3+) geliert. Die Mischgele werden hinsichtlich der Struktur im resultieren den Netzwerk untersucht (Kapitel 5). In diesem Zusammenhang werden die spektroskopischen Eigenschaften der Systeme umfangreich analysiert. Unter Anwendung von Röntenphotonenspektroskopie (XPS) werden die Bindungszustände auf den Oberflächen der gemischten Systeme genauer untersucht, um Rückschlüsse auf die möglichen Gelierungsmechanismen zu erhalten. Um den Ladungsträgertransport in halbleitenden CdSe/CdS Nanostäbchen-Netzwerken mit einer experimentellen Methode nachzuvollziehen, werden gemischte CdSe/CdS:Au Gele mit unterschiedlichen Nanostäbchen zu Nanopartikel-Verhältnissen durch die Zugabe von Wasserstoffperoxid hergestellt und spektroskopisch charakterisiert. Durch die Variation des Au-Nanopartikelanteils werden im System statistisch verteilt Bausteine zum Auslöschen des Ladungsträgertransfers eingebaut. Diese werden abschließend dazu genutzt, um die Distanz, die ein photonisch generierter Ladungsträger in Form eines Elektrons im Verbund der Halbleiternanostäbchen zurücklegen kann, zu quantifizieren. Siehe hierzu Kapitel 6. Kapitel 7 umfasst die Arbeiten an Strukturen, die als interpenetrierte Netzwerke bezeichnet werden können. Hierbei werden Au-Nanodrähte mit CdSe/CdS-Nanostäbchen kombiniert und so ein durchwachsenes Netzwerk erhalten. Die strukturellen Unterschiede werden mit Hilfe von Elektronenmikroskopie (TEM und REM) untersucht. Zur Charakterisierung der elektronischen Eigenschaften der interpenetrierten Netzwerke werden Photo-Elektrochemische Messungen verwendet.

The following work is about nanoparticles of different materials and their assembly (gelation) using different techniques. Specifically, multicomponent systems consisting of CdSe/CdS (core-shell) nanorods and Au or Pt nanoparticles and nanowires (in case of Au) are used as model systems to investigate the properties of the network structures. Various gelation methods are applied here, which have a direct influence on the particle connectivity and their electronic charge exchange. Specifically, these are oxidative assembly processes using hydrogen peroxide on the one hand and gelation methods using ions (Ba2+, Ca2+, S2−, Y3+ and Yb3+) on the other. The influence of these different gelling agents on the resulting arrangement of anisotropic CdSe/CdS nanorods within a network is first investigated (see chapter 4). In the further course, the effect of spherical metal nanoparticles on the gelation with semiconducting Cd- Se/CdS nanorods by means of cations (Ba2+, Ca2+, Y3+ and Yb3+) is investigated (chapter 5). In this context, the spectroscopic properties of the systems are extensively analysed. By means of X-ray photon spectroscopy (XPS), the binding states of the mixed systems are investigated in more detail in order to draw conclusions about the possible gelation mechanisms. In order to analyze the charge carrier transport in semiconducting CdSe/CdS nanorod networks with an experimental method, mixed Cd- Se/CdS:Au gels with different nanorod:nanoparticle ratios are prepared using hydrogen peroxide and spectroscopically characterised. By varying the Au nanoparticle fraction, building blocks are incorporated into the system in a statistically distributed manner to quench charge carrier transfer. Finally, these are used to quantify the distance that a photonically generated charge carrier in the form of an electron can travel in the backbone of semiconductor nanorod networks, see chapter 6. Chapter 7 covers work on structures that can be described as interpenetrated networks. Here, Au nanowires are combined with CdSe/CdS nanorods to obtain a interpenetrated networks. The structural differences are intensively investigated by electron microscopy (TEM and SEM). Photo-electrochemical measurements are used to characterize the electronic properties of the interpenetrated networks.