Die Detektion von Nukleinsäuren ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Erkennung von viralen und bakteriellen Spezies in biologischen Proben. Oligonukleotid-vermittelte Reaktionen (OVR), die die Zielsequenz als Katalysator der chemischen Reaktion zwischen reaktiven Sonden verwenden, bieten gegenüber den enzymatischen Methoden viele Vorteile, wie z.B. Simplizität und Kosteneffizienz. Normalerweise besitzt das Produkt der OVR deutliche fluoreszierende Eigenschaften, die durch Fluoreszenzspektroskopie gemessen werden können. Die Haupteinschränkung solcher Systeme ist die nur moderate Helligkeit von organischen Farbstoffen, die meistens zur Markierung von reaktiven Sonden genutzt werden. Um dieses Problem zu lösen, sind Fluorophore mit höherer Helligkeit erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Methode zur Detektion von RNA durch Templat-vermittelten Transfer des Fluorophors auf den Quantum Dot (QD). Das System besteht aus zwei reaktiven Peptide Nucleic Acid (PNA)-basierten Antisense-Sonden. Die Label Akzeptor PNA (LAPNA) Sonde ist auf dem QD immobilisiert und enthält eine Cysteineinheit am N-terminus. Die Label Donor PNA (LDPNA) Sonde trägt eine Cy5-Einheit, die als Thioester gebunden ist. Durch die benachbarte Hybridisierung der Sonden am RNA-Templat nimmt die effektive Molarität der reaktiven Gruppen zu, und führt somit durch das Prinzip von Native Chemical Ligation zum Transfer des Cy5 auf den QD. Dies resultiert in Förster−Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen dem QD und den Cy5-Molekülen, der durch die Löschung der Emission des QDs sowie die Verstärkung der Fluoreszenz des Cy5 beobachtet werden kann. Die Verwendung von sehr hellen QDs als FRET-Donor ermöglicht die Umsetzung von Sonden bei geringen Konzentrationen und ermöglicht die Erkennung von RNA mit Nachweisgrenzen im Bereich von weniger pikomolar. / Detection of nucleic acids is one of the most reliable methods for the identification of bacterial and viral species in biological samples. Oligonucleotide-templated reactions (OTRs) that exploit an RNA or DNA target to catalyze a chemical reaction hold great promise for the development of enzyme-free and low-cost detection schemes. Commonly, these strategies rely on organic dyes and are designed so that the product of OTR exhibits distinct fluorogenic properties. The main constraint of such schemes is the moderate brightness of organic fluorophores, which limits the read-out when the probes are used at low concentrations. To tackle this obstacle, significantly brighter fluorophores are needed. This work describes the development of an RNA detection scheme that relies on target-templated fluorophore transfer onto a semiconductor quantum dot (QD). The approach uses two reactive peptide nucleic acid (PNA) antisense probes. Label acceptor peptide nucleic acid (LAPNA) probe is immobilized on a QD and bears a cysteine at the N-terminus; label donor peptide nucleic acid (LDPNA) probe is equipped with a Cy5 dye, attached as a thioester. The adjacent annealing of these recognition elements following binding to target RNA triggers the transfer of Cy5 onto a QD in a native chemical ligation manner. This leads to a detectable fluorescence signal brought about by FRET from QD to the Cy5. The use of unprecedentedly bright QDs that can act as FRET donors for several Cy5 functionalities allows application of probes at very low concentrations (pM range) and achieves enhanced sensitivity of target-templated RNA detection. The method enabled RNA detection in the low pM range using a conventional microtiter plate reader.

The work discusses the development of molecular electronics based on the possibility of the usage of anorganic quantum dots and organic molecules as basis material. Of special interest are the properties of semiconductor quantum dots and their modification due to the coupling of quantum dots from different materials. Eventually these are proper candidates to avoid the fast recombination of excitons which is a problem in many organic photovoltaic materials, by local separation of charge carriers. Another materials class investigated are the so called charge transfer dimers. On the way to usable molecular building blocks switching and rectification behavior are important properties, therefore they were of special interest in the investigation. Especially the usage of charge transfer materials in rectification was already suggested in the 70’s, but could be realized till now only with a quiet limited success. Already around the millennium it was shown that a too strong coupling between the components leads to a resymmetrization of the I-V-characteristics. For all systems the electronic structure was investigated by means of density functional theory. Additional the charge transport in between gold leads was computed based on non equilibrium Greens functions. For the system of coupled quantum dots it is shown how the combination of several gates can be used to adjust the transport properties. This work shows that the rectification effect within weakly coupled charge transfer systems stays also small because also in this case a resymmetrization of the I-V-characteristics takes place.:1 Introduction 2 Molecular Electronics 3 Theoretical background 4 Computational details and software packages 5 Modeling 6 Results and Discussion 6.1 Quantum dots 6.2 Transport through coupled quantum dots 6.3 Charge transfer dimers 6.4 Transport through charge transfer dimers 7 Conclusion 8 Outlook Acknowledgement List of Figures List of Tables Bibliography List of own Publications / Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der molekularen Elektronik und insbesondere mit der Prüfung der Verwendbarkeit von anorganischen Quantenpunkten und organischen Molekülen für diesen Bereich. Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien besitzen eine grosse Bandbreite von Eigenschaften. Es wird untersucht, wie die Eigenschaften durch die Kopplung von Quantenpunkten unterschiedlicher Materialien modifiziert werden können. Eine Idee besteht in der lokalen Trennung von Ladungsträgern um die schnelle Rekombination von Exzitonen zu vermeiden, welche in organischen Solarzellen häufig ein Problem darstellt. Als weitere Materialklasse werden molekulare Ladungstransferdimere untersucht. Auf dem Weg zu nutzbaren Bauelementen sind das Schalt- und Gleichrichtverhalten wichtige Eigenschaften, daher sind sie von besonderem Interesse. Insbesondere die Frage des Ladungstransfers in Bezug auf das Gleichrichten wurde schon in den 1970ern vorgeschlagen, konnte aber bisher immer nur mit begrenztem Erfolg realisiert werden. Schon um die Jahrtausendwende wurde gezeigt, dass Systeme mit einer zu starken Kopplung zu einer Symmetrisierung der Strom-Spannungs-Kennlinie führen. Bei beiden Systemen wird jeweils die elektronische Struktur im Sinne der Dichtefunktionaltheorie berechnet. Zusätzlich wird jeweils der Ladungstransport zwischen Goldkontakten mittels Nichtgleichgewichts-Greenschen Funktionen berechnet. Für die Systeme gekoppelter Quantenpunkte wird gezeigt, wie die Transporteigenschaften mittels Gatespannungen eingestellt werden können. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass es auch im Fall schwach gekoppelter Ladungstransferdimere zu weitgehend symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinien kommt und es auch für diese Systeme nur zu einem schwachen Gleichrichtverhalten kommt.:1 Introduction 2 Molecular Electronics 3 Theoretical background 4 Computational details and software packages 5 Modeling 6 Results and Discussion 6.1 Quantum dots 6.2 Transport through coupled quantum dots 6.3 Charge transfer dimers 6.4 Transport through charge transfer dimers 7 Conclusion 8 Outlook Acknowledgement List of Figures List of Tables Bibliography List of own Publications

Ternäre I-III-VI-Metall-Chalkogenid-Quantenpunkte (QDs) Cu-In-S (CIS), Ag-In-S (AIS) und Kern-Schale CIS/ZnS, AIS/ZnS stellen eine mögliche Alternative dar zu binären II-VI und IV-VI QDs, die giftige Metalle wie CdX und PbX (X = S, Se, Te) enthalten. I-III-VI QDs zeigen eine Kombination aus intensiver und einstellbarer Absorption von sichtbarem Licht und starker Photolumineszenz (PL), die vom sichtbaren bis zum nahen Infrarotbereich eingestellt werden kann. Dies eröffnet Möglichkeiten für praktische Anwendungen als Lumineszenzmaterialien für Leuchtdioden (LEDs), fluoreszierende Biomarkern, Solarzellen, Fotodetektionsmaterialien usw. Obwohl sie strukturell verwandt sind, sind die optischen Eigenschaften von II-VI und I-III-VI QDs sehr unterschiedlich - scharfe Absorptions- und PL-Merkmale für die ersteren und breit und ohne Merkmale für die letzteren, sogar für sehr kristalline QDs mit enger Größenverteilung. Die scheinbare Lücke zwischen den II-VI und I-III-VI QDs wird durch einen speziellen Typ von II-VI QDs gefüllt - sogenannte ultrakleine Nanopartikel oder magische Cluster, die eine Größe von 2-2,5 nm nicht überschreiten. Ihre Absorptionsspektren sind so scharf wie die von II-VI's und die PL ist so breit und intensiv wie bei I-III-VI's. Trotz ihrer II-VI-Zusammensetzung kann die vergleichbare Anzahl von Oberflächen- und Bulk-Atomen strukturelle Umlagerungen in den ultrakleinen QDs verursachen, die qualitativ und quantitativ ähnliche Auswirkungen auf die optischen Spektren haben können wie die Nicht-Stöchiometrie und Antisite in I-III-VI-QDs. Als Ergebnis der durchgeführten Forschung haben wir optische Spektren systematisch untersucht und basierend auf stationären und zeitaufgelösten PL-Daten zu QDs verschiedener Zusammensetzung und Oberflächenmodifikation eine vernünftige Erklärung für die ungewöhnlichen PL-Eigenschaften von I-III-VI- und ultrakleinen II-VI-QDs im Rahmen des Modells der selbstgefangenen Exzitonen vorschlagen (Kapitel 4). Mit Hilfe der Multiwellenlängen- und temperaturabhängigen Raman-Spektroskopie ist es uns gelungen, die Vibrations-Fingerabrücke der ultrakleinen II-VI-QDs und stark nicht-stöchiometrischen I-III-VI-QDs zu ermitteln (Kapitel 5). Mit der Kombination aus monochromatischer XPS und He I/He II UPS gingen wir über die konventionelle Anwendung der Photoemissionsspektroskopie im QD-Bereich als Sonde für die chemische Zusammensetzung hinaus. Es ist uns gelungen, einen systematischen Zusammenhang zwischen der elektronischen Struktur der QDs und ihren grundlegenden und für Anwendungen wichtigen Parametern wie Austrittsarbeit, Valenzband-Maximum-Offsets in Bezug auf die Fermi-Niveaus, Ionisierungspotentiale und Elektronenaffinitäten herzustellen (Kapitel 6). Durch die Einbeziehung von Auger-Features in die Analyse ist es uns gelungen, die Hauptschwierigkeit bei der Aufnahme von Photoemissionsspektren von ex-situ präpariertem hybriden organisch-anorganischen Materialien wie kolloidalen QDs - den Aufladungseffekt - zu umgehen.

Ternary luminescent copper and silver indium sulfide quantum dots (QDs) can be an attractive alternative to cadmium and lead chalcogenide QDs. The optical properties of Cu–In–S and Ag–In–S (AIS) QDs vary over a broad range depending on the QD composition and size. The implementation of ternary QDs as emitters in bio-sensing applications can be boosted by the development of mild and reproducible syntheses directly in aqueous solutions as well as the methods of shifting the photoluminescence (PL) bands of such QDs as far as possible into the near IR spectral range. In the present work, the copper-doping of aqueous non-stoichiometric AIS QDs was found to result in a red shift of the PL band maximum from around 630 nm to ∼780 nm and PL quenching. The deposition of a ZnS shell results in PL intensity recovery with the highest quantum yield of 15%, with almost not change in the PL band position, opposite to the undoped AIS QDs. Size-selective precipitation using 2-propanol as a non-solvent allows discrimination of up to 9 fractions of Cu-doped AIS/ZnS QDs with the average sizes in the fractions varying from around 3 to 2 nm and smaller and with reasonably the same composition irrespective of the QD size. The decrease of the average QD size results in a blue PL shift yielding a series of bright luminophors with the emission color varies from deep-red to bluish-green and the PL efficiency increases from 11% for the first fraction to up to 58% for the smallest Cu-doped AIS/ZnS QDs. The rate constant of the radiative recombination of the size-selected Cu-doped AIS/ZnS QDs revealed a steady growth with the QD size decrease as a result of the size-dependent enhancement of the spatial exciton confinement. The copper doping was found to result in an enhancement of the photoelectrochemical activity of CAIS/ZnS QDs introduced as spectral sensitizers of mesoporous titania photoanodes of liquid-junction solar cells.

Ternary luminescent copper and silver indium sulfide quantum dots (QDs) can be an attractive alternative to cadmium and lead chalcogenide QDs. The optical properties of Cu–In–S and Ag–In–S (AIS) QDs vary over a broad range depending on the QD composition and size. The implementation of ternary QDs as emitters in bio-sensing applications can be boosted by the development of mild and reproducible syntheses directly in aqueous solutions as well as the methods of shifting the photoluminescence (PL) bands of such QDs as far as possible into the near IR spectral range. In the present work, the copper-doping of aqueous non-stoichiometric AIS QDs was found to result in a red shift of the PL band maximum from around 630 nm to ∼780 nm and PL quenching. The deposition of a ZnS shell results in PL intensity recovery with the highest quantum yield of 15%, with almost not change in the PL band position, opposite to the undoped AIS QDs. Size-selective precipitation using 2-propanol as a non-solvent allows discrimination of up to 9 fractions of Cu-doped AIS/ZnS QDs with the average sizes in the fractions varying from around 3 to 2 nm and smaller and with reasonably the same composition irrespective of the QD size. The decrease of the average QD size results in a blue PL shift yielding a series of bright luminophors with the emission color varies from deep-red to bluish-green and the PL efficiency increases from 11% for the first fraction to up to 58% for the smallest Cu-doped AIS/ZnS QDs. The rate constant of the radiative recombination of the size-selected Cu-doped AIS/ZnS QDs revealed a steady growth with the QD size decrease as a result of the size-dependent enhancement of the spatial exciton confinement. The copper doping was found to result in an enhancement of the photoelectrochemical activity of CAIS/ZnS QDs introduced as spectral sensitizers of mesoporous titania photoanodes of liquid-junction solar cells.

We introduce new oxygen- and moisture-proof polymer matrixes based on polyisobutylene (PIB) and its block copolymer with styrene [poly(styrene-block-isobutylene-blockstyrene), PSt-b-PIB-b-PSt] for the encapsulation of colloidal semiconductor nanocrystals. In order to prepare transparent and processable composites, we developed a special procedure of nanocrystal surface engineering including ligand exchange of parental organic ligands to inorganic species followed by the attachment of specially designed short-chain PIB functionalized with an amino group. The latter provides excellent compatibility of the particles with the polymer matrixes. As colloidal nanocrystals, we chose CdSe nanoplatelets (NPLs) because they possess a large surface and thus are very sensitive to the environment, in particular in terms of their limited photostability. The encapsulation strategy is quite general and can be applied to a wide variety of semiconductor nanocrystals, as demonstrated on the example of PbS quantum dots. All obtained composites exhibited excellent photostability, being tested in a focus of a powerful white-light source, as well as exceptional chemical stability in a strongly acidic media. We compared these properties of the new composites with those of widely used polyacrylate-based materials, demonstrating the superiority of the former. The developed composites are of particular interest for application in optoelectronic devices, such as color-conversion light-emitting diodes, laser diodes, luminescent solar concentrators, etc.

On demand single-photon and entangled-photon sources are key building-blocks for many proposed photonic quantum technologies. For practical device applications, epitaxially grown quantum dots (QDs) are of increasing importance due to their bright photon emission with sharp line width. Particularly, they are solid-state systems and can be easily embedded within a light-emitting diode (LED) to achieve electrically driven sources. Therefore, one would expect a full-fledged optoelectronic quantum network that is running on macroscopically separated, QD-based single- and entangled-photon devices. An all-electrically operated wavelength-tunable on demand single-photon source (SPS) is demonstrated first. The device consists of a LED in the form of self-assembled InGaAs QDs containing nanomembrane integrated onto a piezoelectric crystal. Triggered single photons are generated via injection of ultra-short electrical pulses into the diode, while their energy can be precisely tuned over a broad range of about 4.8 meV by varying the voltage applied to the piezoelectric crystal. High speed operation of this single-photon emitting diode up to 0.8 GHz is demonstrated. In the second part of this thesis, a fast strain-tunable entangled-light-emitting diode (ELED) is demonstrated. It has been shown that the fine structure splitting of the exciton can be effectively overcome by employing a specific anisotropic strain field. By injecting ultra-fast electrical pulses to the diode, electrically triggered entangled-photon emission with high degree of entanglement is successfully realized. A statistical investigation reveals that more than 30% of the QDs in the strain-tunable quantum LED emit polarization-entangled photon-pairs with entanglement-fidelities up to f+ = 0.83(5). Driven at the highest operation speed ever reported so far (400 MHz), the strain-tunable quantum LED emerges as unique devices for high-data rate entangled-photon applications. In the end of this thesis, on demand and wavelength-tunable LH single-photon emission from strain engineered GaAs QDs is demonstrated. Fourier-transform spectroscopy is performed, from which the coherence time of the LH single-photon emission is studied. It is envisioned that this new type of LH exciton-based SPS can be applied to realize an all-semiconductor based quantum interface in the foreseeable distributed quantum networks.

Solution-processed lead sulfide quantum dots (PbS QDs) are an excellent candidate for photodetector applications because they exhibit broadband absorption, a wide range of tuneable bandgaps, high stability in air, and mechanical flexibility. However, a crucial criterion for the fabrication of high-performance photodetectors is the selection of the ligands, which can facilitate charge carrier transport between the PbS QDs and passivate the surface defects. In this work, the authors have studied the effect of traps on the performance of PbS QD photodetectors that are fabricated using different types of ligands, using intensity-dependent photoresponse dynamics. The best devices with lead halide ligands show a dark current density of 5 × 10−9 A cm−2 at −0.2 V, which is one of the lowest values reported thus far for solution-processed PbS QD-based photodetectors. Moreover, these devices show a high linear dynamic range (≈90 dB) and high detectivity (>1013 Jones), in addition to an f-3 dB of greater than 100 kHz without the application of an external voltage bias at a wavelength of 784 nm. These results suggest that with an appropriate selection of ligands, solution-processed photodetectors with a lower density of traps and a better device performance can be fabricated.

Diese Arbeit untersucht die Photo-Lumineszenz (PL)-Unterbrechung (Blinken) einzelner in Polymer-Nanopartikeln eingebetteter CdSe/CdS Halbleiter-Nanokristalle (Quantenpunkte) im Einfluss elektrischer Gleich- und Wechselfelder mittels Weitfeld-Mikroskopie. Hierbei emittieren die einzelnen Quantenpunkte trotz kontinuierlicher Anregung mit einer zwischen hellen An- und dunklen Aus-Zuständen variierenden PL-Intensität. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamik dieses Blinkens durch Wechselfelder stark beeinflusst wird und von deren Feldstärke, teilweise auch deren Feldfrequenz abhängt. Für zunehmende Feldstärken lässt sich ein schnellerer Wechsel zwischen An- und Aus-Zuständen (erhöhte Blinkfrequenz) beobachten, der von einer reduzierten Häufigkeit langer An- und Aus-Ereignisse begleitet wird. Der Verlauf der An-Zeit-Verteilungen bei kleinen Zeiten wird zunehmend (monoton) flacher, während die Verteilungen der Aus-Zeiten zunächst ebenfalls einem analogen Trend folgen, ab einer bestimmten und von der Feldfrequenz abhängenden Feldstärke jedoch wieder steiler verlaufen. Ein solcher Monotonie-Wechsel in der Blinkdynamik im Fall einer gleichbleibenden Variation einer äußeren Bedingung wurde bei Halbleiter-Nanokristallen so erstmalig beobachtet. Für Gleichfelder zeigen sich hingegen nahezu keine Auswirkungen. Lediglich die An-Zeit-Verteilungen sowie die Blinkfrequenz im Fall hoher Feldstärken werden modifiziert. Die Ergebnisse werden im Kontext verschiedener aktueller Modelle zur PL-Unterbrechung wie dem trapping-Modell, dem self-trapping-Mechanismus oder dem Modell multipler Rekombinationszentren diskutiert und diese entsprechend erweitert. Dabei stehen die dielektrischen Eigenschaften und die Relaxationsdynamik der lokalen Quantenpunkt-Umgebung im Mittelpunkt, deren Reaktion auf die externen Felder durch eine zeitabhängige Ausrichtung permanenter Dipole beschrieben werden kann.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen, autarken, folienbasierten Sensorsystems für die Belastungsdetektion an Leichtbaumaterialien. Das integrierte Sensorsystem ist in der Lage mechanische Belastungen über die Photolumineszenz von Quantum Dots visuell darzustellen, wodurch strukturelle Defekte in Leichtbaumaterialien frühzeitig erkannt und ein Totalausfall einer gesamten Leichtbaukonstruktion verhindert werden kann. Dies führt neben einer erhöhten Sicherheit einzelner Komponenten und kompletter Konstruktionen auch zu Gewichts-, Kosten- und Rohstoffersparnissen. Die gezielte Beeinflussung der Photolumineszenz von Quantum Dots durch Ladungsträgerinjektion als Hauptmechanismus des Sensorsystems erfordert spezielle Lagenaufbauten von Dünnschichtsystemen. Durch die Kombination dieser Dünnschichtsysteme mit piezoelektrischen Materialien entsteht ein autarkes Sensorsystem, wodurch eine Auswertung, Visualisierung und Speicherung der Information über eine stattgefundene mechanische Belastung an Leichtbaumaterialien auf kleinsten Raum erreicht wird.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf / This work focuses on the development of a novel, self-sufficient, film-based sensor system for load detection on lightweight materials. The integrated sensor system is capable to visualize mechanical loads on lightweight structures by quenching the photoluminescence of quantum dots. Structural defects in lightweight materials can thus be detected at an early stage and total failure of an entire lightweight structure can be prevented. In addition to increased safety of individual components and complete structures, this also leads to weight, cost and raw material savings. The quenching of the photoluminescence of quantum dots by charge carrier injection as the main mechanism of the sensor system requires special thin-film layer stacks. By combining these thin-film layer stacks with piezoelectric materials, a self-sufficient sensor system is created. An evaluation, visualization and storage of the information about a mechanical load that has taken place on lightweight materials is thus achieved in a very small space.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Vorwort 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielstellung 2 Autarker Sensor für mechanische Beanspruchungen 2.1 Sensorkonzept, -aufbau und Funktionsweise 2.2 Anforderungen an die Funktionalität 2.3 Stand der Technik 3 Theoretische Grundlagen 3.1 Quantum Dots 3.1.1 Größenquantisierungseffekt 3.1.2 Photolumineszenz 3.1.3 Aufbau und Materialien 3.1.4 Kommerziell erhältliche Quantum Dots 3.2 Mechanismen zur Beeinflussung der Photolumineszenz 3.2.1 Ladungsträgerinjektion in den QD Kern 3.2.2 Feldinduzierte Ionisation des Exzitons 3.2.3 Weitere Mechanismen 3.3 Ladungsträgertransportschichten 3.3.1 Poly(N-vinylkarbazol) 3.3.2 N,N,N´,N´-Tetrakis(3-methylphenyl)-3,3´-dimethylbenzidin 3.3.3 Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-poly(styrolsulfonat) 3.4 Lithiumfluorid als elektrischer Isolator 3.5 Modellsysteme 3.5.1 Einbettung der QDs in organische Lochtransportschichten 3.5.2 QDs zwischen Elektrode und organischer Lochtransportschicht 3.5.3 QDs zwischen Elektrode und Nichtleiter 4 Experimentelle Vorgehensweise 4.1 Layout und Kontaktierung von Teststrukturen 4.2 Verfahren zur Herstellung dünner Schichten 4.2.1 Physikalische Gasphasenabscheidung 4.2.2 Rotationsbeschichtung 4.2.3 Weitere Verfahren 4.3 Charakterisierung der Schichten und der Gesamtfunktionalität 4.3.1 Mikrospektroskopieaufbau 4.3.2 Weitere Messverfahren 4.4 Integration der Schichtstapel in Faserkunststoffverbund 5 Experimentelle Untersuchungen 5.1 Einordnung der einzelnen Schichten der Modellsysteme 5.1.1 Elektroden 5.1.2 Matrixmaterial und Quantum Dots 5.2 Einordnung des elektrischen Verhaltens der Modellsysteme 5.2.1 Modellsystem I 5.2.2 Modellsystem II 5.2.3 Modellsystem III 5.3 Einfluss externer Beleuchtung am Modellsystem II und III 5.3.1 Modellsystem II 5.3.2 Modellsystem III 5.4 Wiederholbarkeit der elektrischen Beanspruchung am Modellsystem III 5.4.1 Photolumineszenzintensität 5.4.2 Stromdichte 5.4.3 Gesamtwiderstand im Schichtstapel 5.5 Einfluss des elektrischen Feldes am Modellsystem III 5.5.1 Photolumineszenzintensität 5.5.2 Stromdichte 5.5.3 Widerstand 5.6 Einfluss der Integration auf das Verhalten von Modellsystem III 5.6.1 Optisches Verhalten der Laminiertasche und des Harzsystems 5.6.2 Funktionalität des Schichtstapels nach der Integration 5.7 Temperaturwechseltest am integrierten Schichtstapel 5.8 Speicherzeit elektrischer Ladungsträger am Modellsystem III 5.8.1 Stabilität des Lasers und der PL Intensität 5.8.2 Reproduzierbarkeit 5.8.3 Langzeitmessung 5.9 Kopplung des Schichtsystems mit piezoelektrischem Element 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Anhang A : Layouts für untere Elektrode E1 und obere Elektrode E2 Anhang B : Halter für die Kontaktierung der Teststrukturen Anhang C : Frontpanel zur Aufnahme der Photolumineszenz Anhang D : Messdaten Profilometer Veeco Dektak 150 Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Lebenslauf