Charge-carrier Dynamics and Surface Effects of One-dimensional Cadmium-Chalcogenide Nanostructures

Abstract

Semiconductor nanowires are auspicious as active components of electronic or optoelectronic devices. Tailoring of the optical and electrical properties can be achieved by tuning the nanowire diameter and thus employing the size-quantization effect. The surface of colloidally synthesized nanowires is saturated with organic ligands that promote directional growth and passivate trap states. Consequently, the surfactants provide means to influence the morphology and the spectral characteristics of the semiconductor nanostructures. Here, the fabrication and spectroscopical analysis of CdTe, CdSe and CdS nanowires and heterostructures thereof were conducted and correlated to the utilized ligand system in order to unveil the structure–property relation. The photoluminescence of native ligand-capped CdTe-nanowires was investigated at cryogenic temperatures, revealing feature-rich emission lines that entail a concerted series of NIR replicas. These replicas were allocated to vibrational modes of the organic surfactants. Ligand-exchange reactions were employed to manipulate the nanostructure surface post-synthetically, while retaining the coordinating effect of the original ligands during crystal growth. The anorganic ligand-exchange reaction was used to compose CdSe/CdS core/shell hetero-nanowires with precise shell dimensions. However, customization of the synthesis-ligand system enabled the reduction of the trapinduced emission in CdS nanowires, while obtaining nanowires with compatible morphologies. By using multi-modal X-ray microscopy, the electrical response of the catalytically grown nanowires could be correlated to the elemental distribution of the lithographically contacted sample. Careful modification of both, the synthesis and the passivation ligand system can provide a useful tool to further design the optical properties of nanostructures beyond dimension tuning. Especially the anorganic ligand-exchange reaction renders a high degree of customization potential and as such is well suited to advance the applicability of nanowires in functional devices such as photosensors.

Halbleiter-Nanodrähte sind vielversprechende aktive Komponenten für electronische und optoelektronische Bauteile. Die optischen und elektrischen Eigenschaften von Nanodrähten können angepasst werden, indem der Nanodrahtdurchmesser variiert wird und der damit einhergehende Größenquantisierungseffekt zum Tragen kommt. Die Oberfläche von kolloidal synthetisierten Nanodrähten ist mit organischen Liganden abgesättigt, die zum Einen gerichtetes Wachstum unterstützen und zum Anderen Fehlstellen passivieren. Die Liganden ermöglichen somit eine Einflussnahme auf die Morphologie und die spektralen Eigenschaften der Halbleiter-Nanodrähte. In dieser Arbeit wurden die Herstellung und die spektroskopische Analyse von CdTe-, CdSe- und CdS-Nanodrähten sowie daraus gebildete Heterostrukturen unter Anbetracht des verwendeten Ligandensystems korreliert, um somit die Struktur-Eigenschafts-Beziehung herauszuarbeiten. Die Photolumineszenz der nativ ligierten CdTe-Nanodrähte wurde bei tiefen Temperaturen untersucht, wodurch facettenreiche Emissionlinien mit dazugehörigen Repliken im NIR-Bereich offenbart wurden. Diese Repliken wurden den Vibrationsmoden der organischen Liganden zugeordnet. Es wurden verschiedene Ligandenaustauschreaktionen durchgeführt, um die Oberfläche der Nanostrukturen nach der Synthese zu manipulieren, wodurch der koordinierende Effekt der Originalliganden während des Kristallwachstums erhalten blieb. Unter Anwendung der anorganische Ligandenaustauschreaktion konnten CdSe/CdS Kern/Schale Heterodrähte mit wohldefinierten Schalenabmessungen entwickelt werden. Auch durch Anpassen des Synthese-Ligandensystems konnte die fehlstelleninduzierte Emission der CdS-Nanodrähte reduziert werden, während die Morphologie der so synthetisierten Nanodrähte vergleichbar blieb. Mit Hilfe von multimodaler Röntgenmikroskopie konnte die elektrische Antwort der katalytisch gewachsenen Nanodrähte mit der Verteilung der Elemente auf der lithografisch kontaktierten Probe korreliert werden.