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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-85498
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8549/


Kombinierte optische, elektrische und rasterkraftmikroskopische Untersuchungen an CdS-Nanowires

Combined Optical, Electrical and Scanning Probe Investigations of CdS Nanowires

Behn, Dino

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SWD-Schlagwörter: Modulation , Nanodraht , Rasterkraftmikroskopie , Cadmiumsulfid , Elektrode , Photostrom , Photolumineszenz
Freie Schlagwörter (Deutsch): EFM , KPFM
Freie Schlagwörter (Englisch): nanowire , pl-modulation
Basisklassifikation: 33.72 , 35.22 , 33.07
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Mews, Alf (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 19.05.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 16.06.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Halbleiter-Nanostrukturen sind im Rahmen der rasanten technologischen Entwicklung immer stärker in den Fokus wissenschaftlicher Forschung gerückt. Halbleiter-Nanowires, wie die in dieser Arbeit untersuchten Cadmiumsulfid-Nanowires (CdS-NWs), zeichnen sich durch ihre eindimensionale Form aus, welche es ermöglicht, diese NWs mit geringem Aufwand elektrisch zu kontaktieren. Gleichzeitig sind CdS-NWs optisch aktiv, das heißt sie können optisch angeregt werden und weisen beispielsweise Photolumineszenz (PL) auf.
Im Rahmen der vorliegen Arbeit wird ein experimenteller Aufbau vorgestellt welcher es ermöglicht gleichzeitig, die optischen, elektrischen und elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen zu messen. Mit Hilfe dieses Aufbaus wird einerseits der Zusammenhang zwischen PL und Ladung im Rahmen der PL-Modulation gezeigt. Andererseits wird die Lokalisierung des Photostroms eines kontaktierten NWs anhand von Bandverläufen erklärt, welche mittels kelvin probe force microscopy (KPFM) unter Beleuchtung gemessen wurden.
Ein Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Beeinflussung der Photolumineszenz durch elektrische Spannung. Hierzu wird ein CdS-NW an einer Seite kontaktiert und bei angelegter Spannung gleichzeitig lokal die PL mit Hilfe von konfokaler Raster-Laser-Mikroskopie und die lokale Ladung auf dem NW mittels electrostatic force microscopy gemessen. Hierbei zeigt sich, dass eine angelegte sinusförmige Wechselspannung die PL und die Ladung in gleicher Weise moduliert. Beim Anlegen einer niederfrequenten Rechteckspannung hingegen zeigt sich ein signifikanter Unterschied in dem Verhalten der Ladung und der PL. Um diesen Unterschied aufzuklären wird das kontaktierte NW mit einem Ersatzschaltbild simuliert. Über den Vergleich zwischen Messung und Simulation im Falle der sinusförmigen Wechselspannung werden die Parameter gefunden, mit deren Hilfe dann die experimentell gemessene PL-Modulation für das Anlegen einer Rechteckspannung exakt modelliert werden kann.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit betrachtet beidseitig mit Platinelektroden kontaktierte CdS-NWs. Diese weisen einen an den Elektroden lokalisierten Photostrom auf. Im Zuge der Untersuchung des Photostroms werden zum ersten Mal KPFM-Messungen unter lokaler Beleuchtung durchgeführt. Aus diesen Messungen werden Bandverläufe erhalten, anhand derer sich einerseits die Lokalisierung des Photostroms erklären lässt. Andererseits ermöglicht diese neuartige Kombination von KPFM und lokaler Beleuchtung den Einfluss des fokussierten Laserstahls, mit dessen Hilfe der Photostrom optisch angeregt wird, für unterschiedliche Beleuchtungspositionen zu untersuchen. Zusätzlich werden die Bandverläufe und Ladungsträgerkonzentrationen für das beidseitig kontaktierte CdS-NW anhand eines Modells simuliert und so weitere Schlüsse auf Ladungsverteilungen gezogen.
Kurzfassung auf Englisch: Semiconductor nanostructures attract ever more attention within scientific research, due to the technological advances that have been made. Semiconductor nanowires, like the cadmium sulfide nanowires (CdS NWs) examined in this thesis, feature a one-dimensional shape, which makes it easy to electrically contact them. At the same time CdS NWs are optically active, meaning they show for example photoluminescence (PL).
This thesis features an experimental setup that enables the simultaneous measurement of optical, electrical and electronical properties of nanostructures. With this setup the relation between PL and charge for the PL modulation under applied voltage is shown. In addition the localization of the photocurrent of a contacted NW is explained, using Kelvin probe force microscopy (KPFM) under local illumination.
One part of this thesis shows the influence of applied voltage on the photoluminescence. For this purpose a CdS NW is contacted on one side. While applying a voltage to the NW, the photoluminescence is locally mapped by means of confocal laser scanning microscopy and simultaneously, the local charge of the NW is mapped with electrostatic force microscopy. It is shown that the PL and charge are modulated by an applied sine-shaped AC voltage in exactly the same fashion. On the other hand, applying a low frequency square-wave voltage, the induced modulation of the charge and PL is significantly different towards each other. In order to explain this behavior the contacted NW is modeled using a circuit diagram. Comparing the experimental results of the sine-shaped PL modulation with the simulated ones, parameters are found with which the PL modulation for the square-shaped voltage can be exactly modeled.
Another part of this thesis examines CdS NWs that are contacted by platinum electrodes on both ends. These doubly contacted NWs show a localized photocurrent at the edge of the electrodes. In order to examine this localized photocurrent, KPFM is combined with confocal laser scanning microscopy for the first time. On the one hand, these KPFM measurements under local illumination yield band structures, which explain the localization of the photocurrent. On the other hand, this new combination enables the investigation of the local effect of optical excitation with a focused laser beam on the bands. Additionally the bands as well as the charge carrier concentrations for the illuminated doubly contacted NW were simulated and further conclusions with regards to the charge distribution drawn.

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