Lumineszierende Nanopartikel auf Basis von β-NaSEF4-Verbindungen (SE=Seltene Erden), die das Phänomen der Aufwärtskonversion zeigen, werden weltweit intensiv untersucht, da unter anderem Anwendungen in den Bereichen Fluoreszenzmarkierung in der Biologie, Sicherheitstinte und Photovoltaik möglich sind. Obwohl viele Syntheseverfahren für nahezu monodisperse Partikel beschrieben wurden, sind die Syntheseparameter, die die Keimbildung und damit die Größe der Partikel bestimmen, weitgehend unklar. In dieser Arbeit wird auf Basis eines drastisch vereinfachten Syntheseverfahrens für β-NaSEF4 -Partikel gezeigt, dass der erste Parameter die Gesamtoberfläche des in der Synthese zugesetzten (oder intermediär gebildeten) NaF-Feststoffs ist. Der zweite Parameter ist die Wahl des Seltenerdions selbst, wobei die Zahl der gebildeten Keime an β-NaSEF4-Partikeln von Gd nach Lu stark und von Gd nach Sm schwach abnimmt. Diese Abhängigkeit vom Seltenerdion erklärt auch den Einfluss einer Dotierung mit anderen Seltenerdionen auf eine Partikelgröße. Werden die in dieser Arbeit bestimmten Syntheseparameter so gewählt, dass möglichst geringe Keimbildung auftritt, kann das Verfahren nicht nur zur Synthese sehr großer β-NaSEF4-Partikel verwendet werden, sondern auch vorteilhaft zur Umhüllung von β-NaSEF4-Partikeln mit einer aus zum Beispiel β-NaYF4, die die Fluoreszenzeigenschaften des β-NaSEF4-Kerns deutlich verbessern.

In dieser Doktorarbeit wurden mit unterschiedlichen Ionen dotierte Nanokristalle untersucht: Zum einen lanthanoid-dotierte LiYF4-Nanokristalle sowie Nanokristalle weiterer LiSEF4-Materialien (SE = Gd-Lu) und zum anderen Nanopartikel aus antimondotiertem Zinndioxid, einem n-leitenden Oxid. Ein zentrales Ergebnis des ersten Teils der Dissertation war die Synthese von LiYF4:Yb,(Er)/LiYF4-Kern/Schale-Nanokristallen, die eine Zerfallszeit der Yb3+-Emission aufweisen, die Czochralski-Laserkristallen von LiYF4:Yb sehr ähnlich ist. Diese Ähnlichkeit bestätigt die hohe Qualität des neu entwickelten Kern/Schale-Syntheseverfahrens. Die Co-Dotierung der LiYF4-Kern-Partikel mit Yb3+ und Er3+ führte zu einer Upconversion-Emission der Partikel, die für ein System dieser Größe und ohne zusätzliche Dotierungsionen die bisher höchste Quantenausbeute von 1,25 % zeigt. Eine hohe Qualität der LiYF4-Nanopartikel hinsichtlich ihrer schmalen Partikelgrößenverteilung und hohen Form-Homogenität konnte über die Bildung von kolloidalen Kristallen bestätigt werden. Die Herstellung weiterer LiSEF4 Nanokristalle mit den Seltenen Erden (SE) = Lu-Gd führte zu einer systematischen Zunahme der Größe der Partikel von LiLuF4 bis LiTbF4. Die Synthese von LiSEF4-Partikeln mit SE = Gd oder mit Seltenenerd-Ionen mit noch höheren Ionenradien war mit diesem Syntheseverfahren allerdings nicht möglich. Daher wurde das eigenständig entwickelte Kern/Schale-Verfahren zur Umhüllung von LiYF4-Kern-Partikeln mit LiYF4 auf LiGdF4 als Schale übertragen und die Bildung einer LiGdF4-Schale auf LiYF4-Kern-Partikeln spektroskopisch bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden im Rahmen eines BMBF-Projektes: „Aktiv steuerbare elektrochrome Gradientenfilter für die Anwendung in optischen Bildaufnahmesystemen“ antimon-dotierte Zinndioxid-Nanopartikel-Suspensionen und -Pasten hergestellt, um n-Leitfähigkeit des SnO2 zu erreichen. Für die Verwendung im ektrochromen Gradientenfilter wurden mittels Rakel- oder Druckprozess nanoporöse Dünnschichtelektroden generiert. Über die Kopplung verschiedener Farbstoffmoleküle konnte der Kontrast des Gradientenfilters in Abhängigkeit des elektro-chemischen Potentials beliebig variiert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden schalenartig aufgebaute Nanoheterostrukturen aus CdTe, CdS und CdSe hergestellt und insbesondere im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Eine neue Variante der CdTe Nanokristallsynthese in ODE als hochsiedendem, nicht koordinierendem Lösungsmittel wurde entwickelt. Diese weist deutliche Vorteile im Bezug auf Reproduzierbarkeit und Wachstumskinetik gegenüber der älteren Synthese in TOP/TOPO auf, da durch ein deutlich verlangsamtes Wachstum die gezielte Synthese von Nanokristallen definierter Größe deutlich erleichtert wird. Diese CdTe Nanokristalle wurden sowohl mit CdS als auch mit CdSe beschichtet. Dabei wurden für beide Arten der Beschichtung verschiedene Methoden getestet und es konnte jeweils eine Synthesemethode gefunden werden, welche Kern-Schale Nanokristalle mit geringer Polydispersität und guten optischen Eigenschaften (schmale Emissionssignale und hohe Quantenausbeuten) liefert. Weiterhin wurden Kern-Schale-Schale Nanokristalle aus CdTe/CdS/CdSe synthetisiert. Dieses System besitzt besonders interessante Eigenschaften, die sich vor allem in Form einer über die eingebettete CdS Schicht einstellbare Ladungsträgertrennung im angeregten Zustand der Nanokristalle und der damit einhergehenden verlängerten Emissionslebensdauer zeigen. Die optischen Eigenschaften (erster elektronischer Übergang) der hergestellten Kern-Schale und Kern-Schale-Schale Teilchen wurden mit theoretischen Berechnungen im Rahmen der „Effektive-Masse-Näherung“ verglichen. Dieser Vergleich ergab für die mit CdSe beschichteten Teilchen eine gute, für die mit CdS beschichteten Teilchen allerdings nur eine mäßige Übereinstimmung. Auch die transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen legen nahe, dass insbesondere die Beschichtung mit CdS nicht quantitativ im Bezug auf die eingesetzte Precursormenge abläuft. Die Emissionslebensdauern der verschiedenen Systeme zeigen nichts desto trotz, dass die theoretisch zu erwartende Ladungsträgertrennung im angeregten Zustand der CdTe/CdS/CdSe Kern-Schale-Schale Nanokristalle tatsächlich eintritt. Durch Einführen der CdS Schicht konnte eine Verlängerung der Emissionslebensdauer der Nanokristalle erreicht werden. Insbesondere wurde gezeigt, dass es möglich ist, verschiedene Nanoheterostrukturen herzustellen, deren Emissionslebensdauern unterschiedlich sind, obwohl sie bei derselben Wellenlänge Licht emittieren. Diese Eigenschaft kann mit Nanokristallen aus nur einem Material nicht erreicht werden. Durch die richtige Kombination von Halbleitermaterialien ist es also möglich, neben der bereits lange bekannten Möglichkeit der Einstellbarkeit der Emissionswellenlänge von Nanokristallen nun auch die Emissionslebensdauer der Nanokristalle zu beeinflussen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden schalenartig aufgebaute Nanoheterostrukturen aus CdTe, CdS und CdSe hergestellt und insbesondere im Hinblick auf ihre optischen Eigenschaften untersucht. Eine neue Variante der CdTe Nanokristallsynthese in ODE als hochsiedendem, nicht koordinierendem Lösungsmittel wurde entwickelt. Diese weist deutliche Vorteile im Bezug auf Reproduzierbarkeit und Wachstumskinetik gegenüber der älteren Synthese in TOP/TOPO auf, da durch ein deutlich verlangsamtes Wachstum die gezielte Synthese von Nanokristallen definierter Größe deutlich erleichtert wird. Diese CdTe Nanokristalle wurden sowohl mit CdS als auch mit CdSe beschichtet. Dabei wurden für beide Arten der Beschichtung verschiedene Methoden getestet und es konnte jeweils eine Synthesemethode gefunden werden, welche Kern-Schale Nanokristalle mit geringer Polydispersität und guten optischen Eigenschaften (schmale Emissionssignale und hohe Quantenausbeuten) liefert. Weiterhin wurden Kern-Schale-Schale Nanokristalle aus CdTe/CdS/CdSe synthetisiert. Dieses System besitzt besonders interessante Eigenschaften, die sich vor allem in Form einer über die eingebettete CdS Schicht einstellbare Ladungsträgertrennung im angeregten Zustand der Nanokristalle und der damit einhergehenden verlängerten Emissionslebensdauer zeigen. Die optischen Eigenschaften (erster elektronischer Übergang) der hergestellten Kern-Schale und Kern-Schale-Schale Teilchen wurden mit theoretischen Berechnungen im Rahmen der „Effektive-Masse-Näherung“ verglichen. Dieser Vergleich ergab für die mit CdSe beschichteten Teilchen eine gute, für die mit CdS beschichteten Teilchen allerdings nur eine mäßige Übereinstimmung. Auch die transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen legen nahe, dass insbesondere die Beschichtung mit CdS nicht quantitativ im Bezug auf die eingesetzte Precursormenge abläuft. Die Emissionslebensdauern der verschiedenen Systeme zeigen nichts desto trotz, dass die theoretisch zu erwartende Ladungsträgertrennung im angeregten Zustand der CdTe/CdS/CdSe Kern-Schale-Schale Nanokristalle tatsächlich eintritt. Durch Einführen der CdS Schicht konnte eine Verlängerung der Emissionslebensdauer der Nanokristalle erreicht werden. Insbesondere wurde gezeigt, dass es möglich ist, verschiedene Nanoheterostrukturen herzustellen, deren Emissionslebensdauern unterschiedlich sind, obwohl sie bei derselben Wellenlänge Licht emittieren. Diese Eigenschaft kann mit Nanokristallen aus nur einem Material nicht erreicht werden. Durch die richtige Kombination von Halbleitermaterialien ist es also möglich, neben der bereits lange bekannten Möglichkeit der Einstellbarkeit der Emissionswellenlänge von Nanokristallen nun auch die Emissionslebensdauer der Nanokristalle zu beeinflussen.

Non-ordered porous networks, so-called aerogels, can be achieved by the 3D assembly of quantum dots (QDs). These materials are well suited for photonic applications, however a certain quenching of the photoluminescence (PL) intensity is observed in these structures. This PL quenching is mainly attributed to the energy transfer mechanisms that result from the close contact of the nanoparticles in the network. Here, we demonstrate the formation of a novel aerogel material with non-quenching PL behaviour by non-classical, reversible gel formation from tetrazole capped silica encapsulated QDs. Monitoring of the gelation/degelation by optical spectroscopy showed that the optical properties of the nanocrystals could be preserved in the 3D network since no spectral shifts and lifetime shortening, which can be attributed to the coupling between QDs, are observed in the gels as compared to the original colloidal solutions. In comparison with other QD-silica monoliths, QDs in our gels are homogeneously distributed with a distinct and controllable distance. In addition we show that the silica shell is porous and allows metal ions to pass through the shell and interact with the QD core causing detectable changes of the emission properties. We further show the applicability of this gelation method to other QD materials which sets the stage for facile preparation of a variety of mixed gel structures.

The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures. / Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.

This work summarizes results of about 10 years of the author’s own activities in the field of aqueous synthesis and handling of thiol-capped semiconductor nanocrystals. As this field has also been explored by hundreds of other scientists, I have endeavoured to do my utmost to provide a short but comprehensive overview presenting my own results as part of the knowledge framework jointly created by multiple colleagues and collaborators from all over the world. This habilitation thesis consists of an introduction, which provides references to the corresponding literature sources and also links to the corresponding annexes, i.e. original published articles, which are attached to this cumulative script.

This work summarizes results of about 10 years of the author’s own activities in the field of aqueous synthesis and handling of thiol-capped semiconductor nanocrystals. As this field has also been explored by hundreds of other scientists, I have endeavoured to do my utmost to provide a short but comprehensive overview presenting my own results as part of the knowledge framework jointly created by multiple colleagues and collaborators from all over the world. This habilitation thesis consists of an introduction, which provides references to the corresponding literature sources and also links to the corresponding annexes, i.e. original published articles, which are attached to this cumulative script.

Featuring size-tunable electrical and optical properties, semiconductor nanocrystals (NCs) attract intensive interest in developing promising functional materials for optoelectronic appli-cations. The surface ligands not only play an important role in the synthesis and colloidal sta-bility of NCs, but also significantly affect their photophysical and electrochemical properties. In this dissertation, I am dealing with the surface ligand engineering of NCs (including both perovskite and metal chalcogenide families) for optical and photocatalytic applications. Polymer ligands are regarded to enable better colloidal stability, durability and processability of fluorescent NCs, which is especially important for perovskite NCs. However, the current wide-used polymer ligands fail to provide sufficient surface passivation for the NCs, which is unfavorable for their luminescence. To address this issue, a dual-ligand system based on par-tially hydrolyzed poly(methyl methacrylate) (h-PMMA) and highly branched polyethyl-enimine (PEI) was designed to stabilize perovskite NCs. The hydrophobic polymer of h-PMMA imparts excellent film-forming properties and durability to the resulting NC-polymer composite. The PEI forms an amino-rich, strongly binding ligand layer on the surface of the NCs being responsible for the significant improvement of the photoluminescence quantum yield and the stability of the resulting material. These superior properties allowed us to fabri-cate a proof-of-concept thin film organic light-emitting diode (OLED) with h-PMMA/PEI-stabilized perovskite NCs. A further insight into the roles of double polymer ligands (h-PMMA and PEI) during the mechanosynthesis of perovskites nanoparticles (NPs) was pro-vided. The h-PMMA can form micelles in the grinding solvent of dichloromethane to act as size-regulating templates for the growth of NPs. The PEI with large amounts of amino groups induced enrichment of PbBr2 in the reaction mixture, which in turn caused the formation of heterostructured CsPbBr3-CsPb2Br5-mPbBr2 and CsPbBr3-Cs4PbBr6-nCsBr NPs. Not only polymer, but also inorganic ligands can be extremely attractive for capping of NCs. In the frame of this thesis, a two-step surface modification strategy was developed to control-lably destabilize the colloidal NCs, which in turn facilitated their 3D assembly into aerogels. Specifically, the long-chain oleic acid ligands were exchanged to the ultra-short-chain inorganic (NH4)2S ligands. These new ligands were further protonated by changing the dispersing solvent, which caused desired colloidal destabilization. The as-prepared CdSe NC aerogels with highly porous and self-supporting structure were found to be attractive for solid-state photocatalysis in a gas phase. Indeed, the (NH4)2S ligand is favourable for the adsorption and activation of substrate molecules (i.e., H2O and CO2) on the large open surface of NC gel, thereby promoting the progress of CO2 photoreduction. As a result, the photocatalytic activity for CO2 reduction of CdSe NC aerogels created in this work is 12-fold higher than that of the pristine non-assembled NC-precipitates.:Abstract 1 Contents 3 Abbreviations 6 List of Figures and Tables 8 1. Colloidal Semiconductor Nanocrystals and their Ligand Shell 13 1.1. Colloidal Semiconductor Nanocrystals 14 1.1.1. Inorganic Core of NCs 15 1.1.1.1. Metal Chalcogenide NCs 16 1.1.1.2. Metal Pnictide NCs 16 1.1.1.3. Halide Perovskites NCs 17 1.1.2. The Surface Ligands for NCs 18 1.1.2.1. The Classification of Surface Ligands based on Head-Groups 18 1.1.2.2. The Classification of Surface Ligands based on Tail-Groups 19 1.2. The Role of Ligands 20 1.2.1. The Role of Ligands in the Synthesis of NCs 20 1.2.2. The Role of Ligand in Colloidal NCs Dispersion and Stability 22 1.2.3. The Role of Ligand in the Light-Matter Interactions as Applied to NCs 24 1.3. The Surface Ligand Engineering of NCs 26 1.3.1. Introducing Ligands during the Synthesis 26 1.3.2. Introducing the Ligands during Post-Synthesis Process 27 1.4. Challenges to be Addressed in this Dissertation 29 2. Polymer Ligands Enhance the Stability and Fluorescence of Perovskite for Optical Application 31 2.1. Background and Motivation 32 2.2. Results and Discussion 34 2.2.1. Spectral Characterization 34 2.2.2. Morphological Characterization 40 2.2.3. Surface Composition 41 2.2.4. Processability, Stability and Durability 43 2.2.5. Green-LED 46 2.3. Conclusions 48 3. Polymer Ligands Assist Mechanosynthesis of Perovskite Nanoparticles 49 3.1. Background and Motivation 50 3.2. Results and Discussion 50 3.2.1 Morphology and Composition 51 3.2.2 Formation and Phase Conversion of the Nanoparticles 53 3.2.3. Spectral Characterization 58 3.3. Conclusions 60 4. Ligand Protonation Promote 3D Assembly of CdSe Nanocrystals for CO2 Photoreduction 62 4.1. Background and Motivation 63 4.2. Results and Discussion 64 4.2.1. The Gelation Method 64 4.2.2. Surface Composition of the NC Aerogels 67 4.2.3. Performance of CdSe-S Aerogels in Photoreduction of CO2 68 4.2.4. Photocatalytic Mechanism of the CdSe-S/Ni Aerogel 70 4.3. Conclusion 73 5. Conclusions and Perspectives 75 Appendix. Experimental Section 78 A.1. Reagents 78 A.2. NCs synthesis 78 A.2.1 Mechanosynthesis of Polymer-Coordinated Perovskite NCs 78 A.2.2 Oil Phase Synthesis of Colloidal CdSe NCs 79 A.2.3 Ligand Protonation-Promoted Assembly of CdSe-S NCs into Gel 79 A.3. Optical and Photocatalytic Applications of NCs 80 A.3.1 Optical Applications of Polymer-Stabilized Perovskite NCs 80 A.3.2 Photocatalytic Applications of CdSe-S Aerogels 80 A.4. Characterization Methods 81 A.4.1 Morphology Characterization 81 A.4.2.Element Characterization 81 A.4.3 Diffraction Characterization 82 A.4.4 Spectroscopy Characterization 82 A.4.5 Gas adsorption Measurement 82 A.4.6 Electrochemical Measurements 83 A.4.7 Other Characterizations 83 A.5. Additional Data 84 Bibliography 87 List of Publications 96 Acknowledgements 98 Erklärung 100

Die Raman-Spektroskopie ist eine der nützlichsten optischen Methoden zur Untersuchung der Phononen organischer und anorganischer Materialien. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und der damit einhergehenden Verkleinerung der Strukturen von der Mikrometer- zur Nanometerskala nehmen das Streuvolumen und somit auch das Raman-Signal drastisch ab. Daher werden neue Herangehensweisen benötigt um sie mit optischer Spektroskopie zu untersuchen. Ein häufig genutzter Ansatz um die Signalintensität zu erhöhen ist die Verwendung von Resonanz-Raman-Streuung, das heißt dass die Anregungsenergie an die Energie eines optischen Überganges in der Struktur angepasst wird. In dieser Arbeit wurden InAs/Al(Ga)As-basierte Multilagen mit einer Periodizität unterhalb des Beugungslimits mittels Resonanz-Mikro-Raman-Spektroskopie und Raster-Kraft-Mikroskopie (AFM) den jeweiligen Schichten zugeordnet. Ein effizienterer Weg um die Raman-Sensitivität zu erhöhen ist die Verwendung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Sie beruht hauptsächlich auf der Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung aufgrund von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen in Metallnanostrukturen. Beide oben genannten Signalverstärkungsmethoden wurden in dieser Arbeit zur oberflächenverstärkten Resonanz-Raman-Streuung kombiniert um geringe Mengen organischer und anorganischer Materialien (ultradünne Cobalt-Phthalocyanin-Schichten (CoPc), CuS und CdSe Nanokristalle) zu untersuchen. Damit wurden in beiden Fällen Verstärkungsfaktoren in der Größenordnung 103 bis 104 erreicht, wobei bewiesen werden konnte, dass der dominante Verstärkungsmechanismus die elektromagnetische Verstärkung ist. Spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) ist ein Spezialfall von SERS, bei dem das Auflösungsvermögen von Licht unterschritten werden kann, was zu einer drastischen Verbesserung der lateralen Auflösung gegenüber der konventionellen Mikro-Raman-Spektroskopie führt. Dies konnte mit Hilfe einer Spitze erreicht werden, die als einzelner plasmonischer Streuer wirkt. Dabei wird die Spitze in einer kontrollierten Weise gegenüber der Probe bewegt. Die Anwendung von TERS erforderte zunächst die Entwicklung und Optimierung eines AFM-basierten TERS-Aufbaus und TERS-aktiver Spitzen, welche Gegenstand dieser Arbeit war. TERS-Bilder mit Auflösungen unter 15 nm konnten auf einer Testprobe mit kohlenstoffhaltigen Verbindungen realisiert werden. Die TERS-Verstärkung und ihre Abhängigkeit vom Substratmaterial, der Substratmorphologie sowie der AFM-Betriebsart wurden anhand der CoPc-Schichten, die auf nanostrukturierten Goldsubstraten abgeschieden wurden, evaluiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die hohe örtliche Auflösung der TERS-Verstärkung die selektive Detektion des Signals weniger CdSe-Nanokristalle möglich macht.