@phdthesis{Niederdraenk2009,
  author    = {Niederdraenk, Franziska},
  title     = {Ensemble-Modellierung von R{\"o}ntgenbeugungsdaten zur Strukturbestimmung von Nanopartikeln},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-52218},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Ziel dieser Arbeit war es, die geometrische Struktur von Nanopartikeln mittels Pulver-R{\"o}ntgenbeugung und einem neuen Analyse-Verfahren, der Ensemble-Modellierung (EM), zu ermitteln. Die genaue Aufkl{\"a}rung der kristallinen Struktur ist ein Schl{\"u}ssel f{\"u}r die Entwicklung exakter theoretischer Modelle und damit f{\"u}r ein besseres Verst{\"a}ndnis der Nanoteilchen und deren Eigenschaften. Dabei fußt die Methode auf einem atomaren Modell und berechnet daraus das Beugungsbild der Teilchen. Neben der Auswertung verschiedener Proben sollte ebenso das Potential der Methode {\"u}berpr{\"u}ft werden - auch im Vergleich zu Standardmethoden wie der Rietveld-Verfeinerung oder einer Einzellinien-Anpassung. Im Gegensatz zur EM beinhalten letztere kein explizites Nanoteilchenmodell. Insgesamt kamen drei typische Nanopartikel-Systeme zum Einsatz: Zun{\"a}chst wurden f{\"u}nf ZnO-Proben untersucht, die aufgrund ihrer verschiedenen Liganden deutlich unterschiedliche Partikelgr{\"o}ßen zeigten. Die pr{\"a}sentierten CdS-Nanoteilchen bildeten dagegen mit unter 100 Atomen bereits den {\"U}bergang zur Clusterphysik. Das letzte Kapitel stellte schließlich drei Proben mit deutlich komplexeren Core-Shell-Partikeln vor, welche aus einem CdSe-Kern und einer ZnS-Schale bestehen. Dabei konnten mit Hilfe der EM f{\"u}r alle Systeme sehr viel detailliertere Aussagen gemacht werden, als mit den Standardmethoden. Anhand der ersten vorgestellten ZnO-Probe wurde gezeigt, wie man sich bei der Auswertung mit der EM schrittweise dem besten Modell n{\"a}hert, indem man, startend mit der Partikelform, anschließend weitere komplexe Merkmale implementiert. In dem ZnO-Kapitel wurde ersichtlich, dass die Liganden eine große Rolle spielen - nicht nur f{\"u}r die Gr{\"o}ße der Nanopartikel, sondern auch f{\"u}r deren Qualit{\"a}t. Weiterhin wurde festgestellt, dass der Ligand TG beinahe defektfreie Nanoteilchen liefert, w{\"a}hrend die Stabilisatoren DACH und DMPDA den Einbau von Stapelfehlern beg{\"u}nstigen. In den jeweiligen Vergleichen mit der Rietveld- und Einzellinien-Anpassung fiel auf, dass diese Methoden f{\"u}r kleine Nanoteilchen Resultate liefern, die als deutlich weniger vertrauensw{\"u}rdig einzustufen sind als jene, die mit der EM erhalten wurden. Der Grund sind die f{\"u}r kleine Teilchen nicht vernachl{\"a}ssigbaren Faktoren wie eine (anisotrope) Form, Oberfl{\"a}cheneffekte, Parameter-Verteilungen etc., welche nur mit der EM ber{\"u}cksichtigt werden k{\"o}nnen. Noch ungenauer f{\"a}llt die Analyse per Absorptionsspektroskopie plus theoretischen Methoden aus. Die einzige CdS-Probe wies mit ca. 1.3 nm Durchmesser besonders kleine Nanoteilchen auf. Das zugeh{\"o}rige Beugungsbild zeigte daher nur noch sehr wenige Strukturen, was bereits die Bestimmung der Kristallstruktur erschwerte. Bei nur noch einigen gestapelten Schichten verloren auch die Stapelfehler ihre urspr{\"u}ngliche Bedeutung. Die maßgebliche Frage bestand somit darin, ob man bei Kristalliten mit unter 100 Atomen noch von einer "normalen" Kristallstruktur sprechen kann, oder ob hier bereits andere Strukturformen vorliegen, z.B. {\"a}hnlich den C60-Molek{\"u}len. Da die EM solche Hohl-Strukturen ebenfalls simulieren kann, w{\"a}re der n{\"a}chste Schritt, diese f{\"u}r sehr kleine Partikel im Vergleich zu den {\"u}blichen Kristallstrukturen zu testen. Bei den drei betrachteten Core-Shell-Proben zeigte die EM abermals ihre große St{\"a}rke, indem sie es erm{\"o}glichte, die deutlich komplexeren Teilchen realistisch zu simulieren. So war es m{\"o}glich, die experimentellen R{\"o}ntgenbeugungs-Daten hervorragend wiederzugeben, was mit keiner der Standardmethoden gelang. Hierf{\"u}r war es n{\"o}tig, neben dem CdSe-Kern eine zus{\"a}tzliche ZnS-Schalenstruktur einzuf{\"u}hren. Zwar konnte bei den Proben mit der EM alleine nicht eindeutig festgestellt werden, welcher ZnS-Schalentypus vorliegt, es wurden jedoch diverse Anhaltspunkte gefunden, die f{\"u}r ein lokal-epitaktisches Wachstum auf dem CdSe-Kern sprechen. F{\"u}r die Methode der EM selbst l{\"a}sst sich in der Retrospektive folgendes fest halten: Sie ist den Standard-Techniken wie der Rietveld-Verfeinerung f{\"u}r sehr kleine Nanopartikel deutlich {\"u}berlegen. Der Grund daf{\"u}r sind die vielf{\"a}ltig modellierbaren Strukturen, welche Defekte, Oberfl{\"a}cheneffekte, Parameterverteilungen etc. beinhalten k{\"o}nnen. Ein weiterer großer Pluspunkt der EM gegen{\"u}ber anderen Methoden besteht in der M{\"o}glichkeit, die immer popul{\"a}rer werdenden Core-Shell-Partikel mit vielf{\"a}ltigen Schalenarten zu simulieren, wobei hier auch noch weitere komplexere Optionen f{\"u}r Schalen, z.B. zweierlei Schalen (Core-Shell-Shell-Teilchen), vorstellbar sind. Die Tatsache, dass all diese Merkmale zudem intrinsisch in dem berechneten Beugungsbild enthalten sind, ist von besonderem Gewicht, da dies bedeutet, keine k{\"u}nstlichen Parameter einf{\"u}hren und diese interpretieren zu m{\"u}ssen. Solange eine gewisse Atomanzahl pro Partikel nicht {\"u}berschritten wird, und v.a. bei defektbehafteten Nanoteilchen, stellt die EM somit die erste Wahl dar.},
  subject      = {Nanopartikel},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kiessling2009,
  author    = {Kießling, Tobias},
  title     = {Symmetry and Optical Anisotropy in CdSe/ZnSe Quantum Dots},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-40683},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2009},
  abstract  = {Halbleiter Quantenpunkte (QDs) erregen immenses Interesse sowohl in der Grundlagen- als auch der anwendungsorientierten Forschung, was sich maßgeblich aus ihrer m{\"o}glichen Nutzung als Fundamentalbausteine in neuartigen, physikalisch nicht-klassischen Bauelementen ergibt, darunter die Nutzung von QDs als gezielt ansteuerbare Lichtquellen zur Erzeugung einzelner Paare polarisationsverschr{\"a}nkter Photonen, was einen Kernbaustein in den intensiv erforschten optischen Quantenkryptographiekonzepten darstellt. Ein goßes Hindernis stellen hierbei die in allen aktuell verf{\"u}gbaren QDs intrinsisch vorhandenen, ausgepr{\"a}gten Asymmetrien dar. Diese sind eine Begleiterscheinung der selbstorganisierten Wachstumsmethoden der QDs und sie treten in verschiedenen Gestalten, wie Formasymmetrie oder inhomogenen Verspannungsverh{\"a}ltnissen innerhalb der QDs, auf. Im Gegenzug verursachen jene Asymmetrien deutliche Anisotropien in den optischen Eigenschaften der QDs, wodurch das optische Ansprechverhalten klassisch beschreibbar wird. Aus Sicht der anwendungsorientierten Forschung stehen Asymmetrien daher im Ruf ungewollte Nebeneffekte zu sein und es wird mit großem Aufwand daran geforscht, diese unter Kontrolle zu bringen. F{\"u}r die Grundlagenforschung sind anisotrope QDs jedoch ein interessantes Modellsystem, da an ihnen fundamentale Quantenphysik beobachtbar ist, wobei anders als in Atomen die einschn{\"u}renden Potentiale nicht zwangsl{\"a}ufig zentralsymmetrisch sein m{\"u}ssen. Auf der Basis winkel- und polarisationsaufgel{\"o}ster Photolumineszenzuntersuchungen (PL) wird die Anisotropie des linearen Polarisationsgrades in der Lumineszenzstrahlung (kurz: optische Anisotropie) der an CdSe/ZnSe-QDs gebundenen Exzitonen untersucht. Es wird gezeigt, dass die Elektron-Loch Austauschwechselwirkung in asymmetrischen QDs zu einer effektiven Umwandlung linearer in zirkulare Polarisationsanteile und umgekehrt f{\"u}hrt. Die experimentellen Befunde lassen sich erfolgreich im Rahmen eines Exziton-Pseudospinformalismus, der auf der durch die Austauschwechselwirkung induzierten Feinstruktur der hellen Exzitonzust{\"a}nde basiert, beschreiben. Dies legt nahe, dass QDs funktionelle Bauelemente in hochintegrierten rein optischen Architekturen jenseits der viel diskutierten nichtklassischen Konzepte darstellen k{\"o}nnen, insbesondere als optische Polarisationskonverter und/oder -modulatoren. Weiterhin wird der Exziton-Pseudospinformalismus in Untersuchungen zur optischen Ausrichtung in QDs genutzt und gezeigt, wie so die anders nicht direkt messbare Symmetrieverteilung eines Ensembles von QDs detektiert werden kann. Diese Messungen stellen ein wertvolles Bindeglied zwischen optischen und strukturellen Untersuchungen dar, da sie einen direkten experimentellen Zugang zum mit topologischen Methoden nicht einsehbaren Anordnungsverhalten eingekapselter QDs liefern. Abschließend wird die optische Anisotropie unter Anlegung eines Magnetfeldes in der QD-Ebene untersucht. Dabei wird beobachtet, dass die Achse der linearen Polarisation der Lumineszenzstrahlung entweder entgegengesetzt zur Magnetfeldrichtung in der Probenebene rotiert oder fest entlang einer gegebenen kristallographischen Achse orientiert ist. Eine qualitative Auswertung der Ergebnisse auf der Basis des exzitonischen Pseudospin-Hamiltonian belegt, dass diese Polarisationsanteile durch isotrope und anisotrope Beitr{\"a}ge des Schwerloch Zeeman Terms begr{\"u}ndet werden, wobei die anisotropen Anteile f{\"u}r ein kritisches Magnetfeld von B=0, 4 T gerade die forminduzierten uni-axialen Polarisationsanteile kompensieren, so dass ein optisches Verhalten resultiert, das man f{\"u}r hochsymmetrische QDs erwarten w{\"u}rde. Zur quantitativen Beschreibung wurde der vollst{\"a}ndige k.p-Hamiltonianin der Basis der Schwerlochexzitonzust{\"a}nde numerisch ausgewertet und damit die optische Polarisation als Funktion der Magnetfeldst{\"a}rke und -orientierung berechnet. Die Modellrechnungen stimmen mit die gemessenen Daten im Rahmen der experimentellen Unsicherheit mit einem jeweils probenspezifischen Parametersatz quantitativ {\"u}berein. Dabei wird gezeigt, dass ein Ensemble von QDs ein optisches Signal, das man f{\"u}r hochsymmetrisches QDs erwarten w{\"u}rde, erzeugen kann ohne dass eine Symmetrisierung der hellen Exzitonzust{\"a}nde stattfindet, wie sie f{\"u}r nicht-klassische Anwednungen notwendig ist. Daraus ergibt sich, dass Konzepte, die Magnetfelder in der Probenebene zur Symmetrisierung des optischen Signals nutzen, mindestens die vier stark durchmischten Schwerlochexzitonzus{\"a}nde ber{\"u}cksichtigen m{\"u}ssen und eine Beschreibung, die nur die beiden hellen Exzitonzust{\"a}nde in Abwesenheit magnetischer Felder beinhaltet, zu kurz greift. F{\"u}r die kontrovers gef{\"u}hrte Diskussion bez{\"u}glich aktueller experimenteller Studien zur Erzeugung polarisationsverschr{\"a}nkter Photonen in asymmetrischen QDs ist daher zu verstehen, dass von solch einer vereinfachten Beschreibung nicht a priori erwartet werden kann, verl{\"a}ssliche Ergebnisse in Bezug auf exzitonische Bellzust{\"a}nde zu erzeugen.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {en}
}