Nanoröhren, die auf dem Element Kohlenstoff basieren, besitzen ein großes Potential für ihre
Anwendung als neuartige und nachhaltige Materialien im Bereich der Optoelektronik und weiteren
zukunftsweisenden Technologiefeldern. Um jedoch hierfür genutzt werden zu können, ist
ein tiefgreifendes Kenntnis über ihre außergewöhnlichen photophysikalischen Eigenschaften notwendig.
Kohlenstoffnanoröhren sind als eindimensionale Halbleiter sehr vielseitige Materialien.
Jedoch ist der Zusammenhang zwischen ihrer Eignung als Halbleiter und der dafür notwendigen
Dotierung nur sehr unzureichend verstanden.
Die Ziele der vorliegenden Dissertation waren deshalb, ein grundlegendes Verständnis der photophysikalischen
Energietransferprozesse in Nanoröhren zu erlangen und den Einfluss von gezielten
Dotierungen auf diese Prozesse im Hinblick auf ihre Eigenschaften als eindimensionale Halbleiter
detailliert zu untersuchen. Die Grundlage für die Experimente bildeten verschiedene Filme
aus einwandigen (6,5)-Kohlenstoffnanoröhren, die durch ein Polyfluoren-Copolymer in einer
organischen Lösungsmittelumgebung isoliert wurden. Mit Hilfe der Ultrakurzzeitspektroskopie
wurden die auf einer schnellen (ps-ns) Zeitskala ablaufenden photophysikalischen Prozesse an
diesen Filmen unter verschiedenen Bedingungen untersucht und analysiert.
In Kapitel 4 wurde der generelle Energietransfer der Kohlenstoffnanoröhren in Polymermatrizen
im Detail studiert. Hierbei wurden durch Simulationen theoretische dreidimensionale
Verteilungen von Kohlenstoffnanoröhren erzeugt und die nach einem Energietransfer vorliegenden
Polarisationsanisotropien berechnet. Verschiedene Berechnungsansätze ergaben, dass die
Nanorohrdichte ϱSWCNT für ein Massenüberschuss X der Matrix nahezu unabhängig von dem
Röhrenvolumen war und durch ϱSWCNT = X−1 · 40 000 μm−1 angenähert werden konnte. Die
Simulationen lieferten von der Röhrendichte abhängige Gaußverteilungen der zwischen den
Nanoröhren vorliegenden Abständen. Aus den Verteilungen konnte weiterhin der Anteil an Röhren
bestimmt werden, die für einen Energietransfer zur Verfügung stehen. Weitere Simulationen
von Nanorohrverteilungen lieferten die Polarisationsanisotropie in Abhängigkeit von der Anzahl
an durchgeführten Energietransferschritten. Die Ergebnisse aus den Simulationen wurden zur
Interpretation der Ultrakurzzeitmessungen angewandt. Hierbei wurden durch die Variation der
Polymermatrix die zwischen den Nanoröhren vorliegenden Abstände verändert und damit die
Art und Intensität des Energietransfers kontrolliert. In Messungen der transienten Anisotropie
zeigte sich, dass ein Exziton nach seiner Erzeugung zwei depolarisierende Energietransferschritte
durchführte. Die Zerfallsdynamiken des Exzitons gaben auch klare Hinweise auf weitere nicht
depolarisierende Energietransferprozesse, die durch parallel zueinander stehende Übergangsdipolmomente
ermöglicht wurden. Eine Erklärung für dieses Verhalten lieferte die faserige
Struktur der Filme, die sich in Aufnahmen durch das Elektronenmikroskop zeigte.
Das Kapitel 5 beschäftigte sich mit dem Aufbau eines transienten Nahinfrarotspektrometers
und den nötigen experimentellen Umbauten zur Messung der transienten Absorption für energiearme
Signale im Spektralbereich unterhalb von 1.4 eV. Hierzu wurde die Weißlichterzeugung
für die Verwendung von Calciumfluorid umgebaut. Das erzeugte Weißlicht wurde in das aufgebaute
Prismenspektrometer eingekoppelt, um es weitestgehend linear auf einer Energieskala zu dispergieren. Auf diese Weise wurden energiearme Spektralkomponenten nicht auf unverhältnismäßig
viele Pixel verteilt und konnten mit ausreichender Intensität detektiert werden. Die
Lichtdetektion erfolgte mittels zweier Detektorzeilen aus Indiumgalliumarsenid, die das transiente
Signal durch eine direkte Referenzierung stabilisierten. Weiterhin wurde in diesem Kapitel die
Justage und die programmierte Ansteuerung des Systems detailliert beschrieben. Hierbei wurde
auf die Justage der Einkopplung per Freistrahl, die Kalibrierung mittels Bandpassspektren
sowie auf die Aufnahme von Weißlichtspektren und transienten Karten detailliert eingegangen.
An Nanorohrdispersionen durchgeführten Testmessungen zeigten, dass das transiente Nahinfrarotspektrometer
mit direkter Signalreferenzierung einwandfrei funktionierte und daher den
beobachtbaren Spektralbereich auf den Bereich von Energien bis unterhalb von 1 eV erweiterte.
Damit ermöglichte der Aufbau einen Zugang zu der Beobachtung größerer Nanorohrchiralitäten
sowie zu der Untersuchung von energiearmen, spektralen Signaturen von Nanorohrdefekten.
In Kapitel 6 wurde das transiente Nahinfrarotspektrometer genutzt, um das zeitabhängige
Verhalten von redoxchemisch p-dotierten Nanoröhren zu charakterisieren und quantitativ zu
beschreiben. Hierzu wurden die spektralen Eigenschaften von SWCNT-Dünnfilmen als Funktion
eines steigenden Dotierungsgrades durch die Messungen der transienten und linearen Absorption
studiert. In der linearen Absorption im Bereich von 0.9 - 2.5 eV vereinfachte sich das Spektrum
mit ansteigender Dotierung stark und verlor vor allem im Bereich des ersten Subbandes
deutlich an Oszillatorstärke. Bei starker Dotierung verschwanden die Signalbeiträge von X1
und der Phononenseitenbande. Weiterhin bleichte auch die bei mittleren Dotierungsgraden
auftauchende Trionenabsorption aus und ging in die breite Absorptionsbande der H-Bande über.
Das Erscheinen und Verschwinden der trionischen sowie exzitonischen Absorption war ebenfalls
in der transienten Absorption durch zeitgleich auftretende/verschwindende Photobleichsignale
zu erkennen. Sowohl der Zerfall des exzitonischen PB-Signals wie auch des Trions beschleunigte
sich mit einer steigenden Dotierung. Die Zerfallszeit des Exzitons im undotierten Film betrug
6.87 ps und verkürzte sich auf 0.732 ps bei höheren Dotierungsgraden. Die Zerfallszeit des Photobleichens
des Trions reduzierte sich von 2.02 ps auf 0.440 ps. Auffallend war hierbei, dass das
Trion im Vergleich zu dem Exziton exponentiell zerfiel und damit auf eine Lokalisierung dieses
Zustandes hinweist. Bei höheren Dotierungsmittelkonzentrationen tauchte in der transienten
Absorption ein neuer Signalbeitrag auf. Die Existenz dieses Signals konnte auf die H-Bande
zurückgeführt werden und könnte auf einer Verschiebung des linearen Absorptionsspektrums
aufgrund einer Renormalisierung der Bandlücke oder der Sättigung von Ladungsträgern beruhen.
Das Signal zeigte eine klare Abhängigkeit vom Dotierungsgrad des Nanorohrfilmes. So wies es
eine hypsochrome Verschiebung auf, wurde spektral breiter und seine Zerfallsdauer reduzierte
sich von 1.62 ps auf 0.520 ps mit steigendem Dotierungsgrad. / Carbon based nanotubes possess a tremendous potential as novel and sustainable materials
in application areas such as optoelectronics and other prospective technologies. However to
fully exploit it, an in-depth understanding of their unique photophysical features is essential.
Carbon nanotubes are one-dimensional semiconductors and are therefore very versatile materials.
However, the relationship between their suitability as semiconductors and the required doping
for this purpose, is only scarcely understood.
The main aim of this thesis was to provide a fundamental understanding of photophysical events
such as energy transfer processes in those nanotubes and to elucidate the impact of controlled
doping on those events with respect to their one-dimensional semiconductor properties. The
experiments performed were based on films made from single-walled (6,5)-carbon nanotubes
isolated by a polyfluorene copolymer in organic solvent. By applying ultrafast laser spectroscopy
one was able to monitor and analyse photophysical events occurring on a short (ps-ns) time
scale in these films under varying conditions.
Chapter 4 presented an detailed investigation of the general energy transfer occurring in
carbon nanotubes embedded into polymeric matrices. For this purpose, simulations were carried
out to generate theoretical, three-dimensional distributions of the nanotubes to calculate the
corresponding polarization anisotropy upon energy transfer. Varying computational approaches
clearly showed that the nanotube density ϱSWCNT for a mass excess X of the matrix was nearly
completely independent of the tube volume: The relationship could be approximated with
ϱSWCNT = X−1 · 40 000 μm−1. The simulations provided Gaussian distributions of the intertube
distances, which were shown to be dependent on the density of the nanotubes in the films. The
distributions even provided the fraction of tubes available for energy transfer to occur. Further
simulations of nanotube distributions were carried out to establish the relationship between
the polarization anisotropy and the number of energy transfer steps taken. These results were
then used for a detailed analysis of the measured ultrafast photo-events in those nanotubes. In
the corresponding experiments the polymer matrix was varied to alter the intertube distances
between the embedded nanotubes in a controlled manner and as a result also control the
intensity of the possible energy transfer. The observed transient anisotropy clearly indicated
that an exciton was carrying out two depolarizing steps of energy transfer upon its generation.
The exciton decay dynamics indicated the presence of addition non-depolarizing energy transfer
processes due to the presence of parallel dipole moments in those events. This behavior was
caused by the fibrous nature of the films, as clearly seen by electron microscopy.
Chapter 5 presented the experimental setup of the transient near-infrared spectrometer, built
and used for this PhD, including the necessary experimental modifications to measure transient
absorption for low-energy signals in the spectral range below 1.4 eV. For this purpose a calcium
fluoride based white light had to be generated. The generated white light was then coupled
into a specifically constructed prism spectrometer to disperse the light on a mostly linear
energy scale. By using this principle, low-energy spectral components were not distributed over
a disproportionate number of pixels and could therefore be detected with sufficient intensity.
The corresponding detection of light was achieved using two lines of indium gallium arsenide
detectors. This setup stabilized the transient signal through direct referencing. Furthermore,
this chapter also described in detail the required experimental adjustment and control program,
which was written for this purpose. In addition, the adjustment of the coupling of the light into
the system via free beam, the calibration via bandpass spectra and the acquisition of white
light spectra and transient maps were discussed in-detail. Test measurements carried out on
dispersions of nanotubes, confirmed the design and flawless functioning of the transient nearinfrared
spectrometer with direct signal referencing, extending the observable spectral range to
energies below 1 eV. The setup even enabled the study of nanotube samples with low-energy
spectral signatures due to nanotube defects and it can even be used to investigate nanotubes
with large chiralities.
In chapter 6, the time-dependent photophysical behavior of p-doped nanotubes (by redoxchemical
means) was discussed, based on detailed investigations and quantitative analysis of
results obtained by the transient near-infrared spectrometer presented in chapter 5. In particular,
the spectral properties of thin films of SWCNT were studied as a function of increasing levels
of p-doping by monitoring their corresponding transient and linear absorption behavior. In
the range of 0.9 - 2.5 eV the linear absorption spectrum simplified with increasing doping levels.
The oscillator strength decreased significantly, especially in the area of the first sub band.
In samples doped at high levels, the signal contributions from X1 and the phonon sidebands
disappeared. In addition, the absorption of trions, which appeared at medium doping levels,
also bleached and merged into the broad absorption band of the H-band. The appearance
and disappearance of trionic and excitonic absorption was also observable in the transient
absorption by simultaneously appearance/disappearance of photobleaching signals. Both, the
decay of the excitonic and the trionic PB signal accelerated with increasing doping levels. The
excitonic decay time of 6.87 ps in the pristine film became only 0.732 ps in nanotube films
doped at high levels. The decay time for the trionic photo-bleaching also dropped from 2.02 ps
to 0.440 ps. Interestingly, the trionic decay occurred exponentially in contrast to the excitonic
decay; a behavior which clearly indicated the localization of this state. At higher concentrations
of dopant, a new signal contribution emerged in the transient absorption spectra. The existence
of this signal could be attributed to the H-band and could be caused by a shift of the linear
absorption spectrum due to a band gap renormalization or by saturation of the charge carriers.
The signal exhibited a clear dependence on the doping levels of the nanotube film. It also
showed a hypsochromic shift and became spectrally broadened. The decay time also dropped
from 1.62 ps to 0.520 ps for samples doped at higher levels.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:26900 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Kunkel, Pascal Gerhard |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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