Photoluminescence intermittency of semiconductor quantum dots in dielectric environments [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Abey Issac

Photoluminescence Intermittency of
Semiconductor Quantum Dots in Dielectric
Environments



von der Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität
Chemnitz genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades





doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)



vorgelegt von

M.Sc. Phys. Abey Issac

geboren am 01.06.1977 in Thalavady (Indien)

eingereicht am 19 April 2006



Gutachter: Prof. Dr. Christian von Borczyskowski
Prof. Dr. Dr. h.c. Dietrich R.T. Zahn
Prof. Dr. Thomas Basché


Tag der Verteidigung: 11 August 2006
















To my mother, Daisy Issac and brother, Josy Issac whose support and
companionship have facilitated my work and made my life enjoyable; and
to the memory of my father, G.Issac, who would have enjoyed seeing the
publication of this thesis. Bibliographische Beschreibung

Bibliographische Beschreibung
ABEY ISSAC, Photoluminescence Intermittency of Semiconductor Quantum Dots in Dielectric
Environments, Dissertation, Institut für Physik der Technischen Universität Chemnitz, Chemnitz
(2006).
Seiten: 120, Abbildungen: 58, Tablen:5
Referat
Betrachtet man die Fluoreszenz einzelner Farbstoffmoleküle oder Halbleiternanokristalle bei
kontinuierlicher Anregung, so stellt man fest, dass die im Zeitverlauf beobachtete Intensität einer
stochastischen Variation unterliegt, d. h. dass das Chromophor zwischen emittierenden und nicht
emittierenden Zuständen, auch Hell- und Dunkelzuständen genannt, hin- und herschaltet. Dieses als
Blinken bekannte Phänomen ist physikalisch wie auch technologisch herausfordernd, lässt es doch
einerseits die Realisierbarkeit einer Reihe von quantenoptischen Anwendungen, so z. B. auf dem
Gebiet der Quantenkryptographie, dem Quantum Computing oder der optischen Schaltungstechnik
auf Basis einzelner Quantenobjekte, in naher Zukunft möglich erscheinen. Andererseits setzt es
gewissen Anwendungen, die auf die permanente Sichtbarkeit des Chromophors aufbauen, Grenzen,
so zum Beispiel der Verwendung als Lumineszenzmarker in der medizinischen Diagnostik.
Weiterhin ist festzustellen, dass das Blinken kritisch von den äußeren Bedingungen und von den
Umgebungsparametern abhängt. Aus diesen und anderen Gründen ist ein fundamentales
Verständnis der physikalischen Ursachen und der Wechselwirkungsprozesse unerlässlich. Die
Forschung dazu steckt noch in den Kinderschuhen.
Basierend auf umfangreiche Messungen der Fluoreszenzzeitreihen einzelner Nanokristalle aus
CdSe und CdSe/ZnS in verschiedenen Umgebungen, zeigt diese Dissertation exemplarisch den
Einfluss der Dielektrizitätsparameter auf das Blinken. Zur Erklärung des Sachverhalts wird ein so
genanntes Self-Trapping-Modell zu Rate gezogen. Demnach kommt es zu einer Ionisation des
Quantenobjekts und anschließender Ladungstrennung, woraufhin die abgetrennte Ladung für eine
gewisse Zeit in der Umgebung lokalisiert bleibt. Die Dauer der Lokalisierung und damit der
emittierenden und nicht emittierenden Perioden hängt von der dielektrischen Funktion des
umgebenden Materials ab. Dies ist als direkter Nachweis für den photoinduzierten Ladungstransfer
als Ursache des Fluoreszenzblinkens zu deuten. Die Arbeit demonstriert, dass die experimentellen
Zeitreihen die charakteristischen Merkmale eines diffusionsgesteuerten Ladungstransferprozesses
besitzen und nimmt dabei den gegenwärtigen wissenschaftlichen Diskurs über geeignete
theoretische Modelle des Fluoreszenzblinkens auf.
Schlagworte
Quantum dots, Quantum confinement, Wide-field video microscopy, Optical spectroscopy,
Photoluminescence, Cadmium Selenide, Intermittency, Blinking statistics, Quantum mechanical
tunneling, Self-trapping.
Contents

Bibliographische Beschreibung
Contents
Abbreviations
1. Introduction………………………………………………………………... 8
1.1 Semiconductor Nanocrystals…………………………………………… 8
1.2 Properties and Applications…………………………………………….. 9
1.3 Scope of the Thesis……………………………………………………... 10

2.Energy States and Single Chromophore Spectroscopy.............................13
2.1 Confinement Regimes.............................................................................. 14
2.1.1 Weak Confinement Regime........................................................... 14
2.1.2 Intermediate Confinement Regime................................................ 14
2.1.3 Strong Confinement Regime.......................................................... 14
2.2 Density of States....................................................................................... 15
2.3 Particle-in-a-Spherical Potential Model.................................................... 17
2.3.1 Coulomb Interaction...................................................................... 22
2.3.2 Mixing of Hole States.................................................................... 23
2.3.3 Splitting of States........................................................................... 26
2.4 Photo Physical Processes in a QD Embedded in a Matrix……………... 27
2.5 Single Chromophore Detection ………………………………………... 32
2.5.1 Introduction……………………………………………………... 32
2.5.2 Achievements in Semiconductor Single Particle Detection…….. 33
2.5.2.1 Photoluminescence Intermittency.................................... 33
2.5.2.2 Models for PL Intermittency............................................ 35
2.5.2.3 Spectral Diffusion………………………………………. 39
2.5.2.4 Single QD Emission Linewidth………………………… 43
2.5.2.5 Single QD Polarization Spectroscopy............................... 43
2.5.2.6 Single QD Surface-Enhanced Emission........................... 43

3. Experimental Aspects................................................................................... 44
3.1 System of Interest...................................................................................... 44
3.2 Sample Characterization........................................................................... 44
3.3 Sample Preparation. ................................................................................. 48
3.4 Wide-field Video Microscope................................................................... 49
3.5 Confocal Microscope................................................................................ 53

4. Dependence of Dielectric Environment on the off-time Statistics of
Single CdSe/ZnS QD Blinking……………………………………………. 56
4.1 Introduction……………………………………………………………... 57
4.2 off-time Statistics of Single CdSe/ZnS QDs in PMMA………………… 58
4.2.1 Heterogeneity of the System…………………………………... 61
4.3 off-time Statistics of Single CdSe/ZnS QDs in Different Dielectric
Environments…………………………………………………………… 64
4.4 Discussion………………………………………………………………. 65
4.5 Conclusion……………………………………………………………… 72

5. Dependence of Dielectric Environment on the on-time Statistics of
Single CdSe/ZnS QD Blinking…...……………………………………….. 73
5.1 Introduction……………………………………………………………... 74
5.2 on-time Statistics of Single CdSe/ZnS QDs in PVA…………………… 75
5.3 on-time Statistics of Single CdSe/ZnS QDs in Different Dielectric
Environments…………………………………………………………… 77
5.4 Discussion………………………………………………………………. 79
5.5 Conclusion……………………………………………………………… 86

6. Blinking Statistics for Uncapped and water Dispersed QDs……………. 87
6.1 Introduction……………………………………………………………... 88
6.2 off-time Statistics of CdSe QDs in Different Dielectric
Environments………………………………………………………….... 89
6.3 on-time Statistics of CdSe QDs in Different Dielectric Environments…. 92
6.4 Blinking Statistics of Water Dispersed CdSe/ZnS QDs in Different
Dielectric Environments………………………………………………... 93 6.5 Discussion………………………………………………………………. 95
6.6 Conclusion……………………………………………………………… 97

7. Summary and Outlook…………………………………………….……… 98

Bibliography........................................................................................................ 100
List of Figures...................................................................................................... 111
List of Tables....................................................................................................... 117
Eidesstattliche Erklärung................................................................................... 118
Curriculum Vitae................................................................................................ 119
Acknowledgement............................................................................................... 120
Abbreviations


Abbreviations

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