Zur Exziton- und Ladungsträgerdynamik in einwandigen Kohlenstoffnanoröhren

In dieser Dissertation wurde die Exziton- und Ladungstragerdynamik in halbleitenden und metallischen einwandigen Kohlenstoffnanorohren (SWNTs) mittels zeitkorreliertem Einzelphotonenzahlen (TCSPC) und transienter Absorptionsspektroskopie untersucht. Die Experimente wurden an Tensid- oder DNA-stabilisierten SWNT-Proben in Suspension durchgefuhrt, in denen durch Dichtegradientenultrazentrifugation (DGU) halbleitende (6,5)-Rohren oder metallische (9,9)-Rohren angereichert wurden. Fur die Herstellung der metallischen SWNT-Proben wurde das DGU-Verfahren optimiert. Metallische SWNT-Proben wiesen eine Verunreinigung von etwa 3% halbleitenden SWNTs auf. Von den angereicherten metallischen SWNTs war die (9,9)-Rohre mit einem relativen Anteil von 40% die vorherrschende Chiralitat. Fur transiente Absorptionsmessungen wurden die metallischen SWNT-Proben zudem durch Filtration aufkonzentriert. Halbleitende (6,5)-Proben wurden mit einem standardmasig verwendeten Rezept hergestellt. Mit TCSPC-Messungen an (6,5)-Proben wurde erstmals gezeigt, dass halbleitende SWNTs neben der kurzlebigen Fluoreszenz des S1-Exzitons, die auf der ps-Zeitskala ablauft, auch eine langlebig Fluoreszenzkomponente aufweisen. Diese klingt mit t^−1 ab und stammt ebenfalls aus dem S1-Exzitonzustand. Das relative Gewicht der langlebigen Komponente an der Quantenausbeute betragt (7 ± 2)%. Bei der langlebige Fluoreszenzkomponente handelt es sich um verzogerte Fluoreszenz. Diese entsteht durch die Wiederbesetzung des S1-Zustands aus einem tiefergelegenen Triplettzustand. Der vorherrschende Zerfall des Tripletts skaliert mit t^-0,5 und ist auf das nicht-Fick’sche Diffusionsverhalten der Tripletts zuruckzufuhren, die an Storstellen gefangen werden und abreagieren. Wird vor dem Ubergang in den Grundzustand ein weiteres Triplett eingefangen, so kommt es zu einer Triplett-Triplett-Annihilation, die eine Wiederbesetzung des S1-Zustandes bewirkt. Fur die transienten Absorptionsexperimente wurde ein Messaufbau verwirklicht, der Anregung und Abfrage im VIS und NIR Spektralbereich mit einer Zeitauflosung von bis zu 50 fs ermoglicht. Die Detektion des Abfragelichts erfolgt spektral aufgelost mit einer CCD-Kamera. Der Aufbau ermoglicht Nachweisempfindlichkeiten von bis zu 0,2 mOD bei einer Integrationszeit von einer Sekunde. Durch unterschiedliche Modulation von Anregungs- und Abfragestrahl ist eine Detektion auf der Differenzfrequenz der Modulationen moglich, wodurch Einflusse des Anregungslichts im Abfragespektrum effizient unterdruckt werden. In transienten Absorptionsexperimenten wurde die Exziton- und Ladungstragerdynamik der (9,9)-Rohre untersucht. Die transienten Absorptionsdaten wurden mit einer globalen Fitroutine angepasst, der ein Vierniveausystem zugrunde lag. Aus dem globalen Fit sind die Photoanregungsspektren (PAS) - die Beitrage der drei angeregten Niveaus zu den transienten Absorptionsspektren - sowie die Zerfallszeiten zuganglich. Die PAS sind durch die Exzitonresonanz gekennzeichnet. Breite PB-Banden aufgrund der Besetzungsanderung der linearen E00-Bander sind im Gegensatz zu transienten Absorptionsmessungen an Graphen oder Graphit nicht erkennbar. Die PAS des schnellen und mittleren Zerfalls sind ahnlich und weisen eine starkes PB-Signal bei der Energie des M1-Exzitons der (9,9)-Rohre auf, das von PA-Banden bei hoheren undtieferen Energien begleitet wird. Der langsame Zerfall ist hingegen durch eine blauverschobene PB-Bande gekennzeichnet, die nur auf der niederenergetischen Seite mit einem PA-Signal einhergeht. Die Zerfallszeiten nehmen mit steigender Anregungsleistung zu und liegen im Bereich von 30 fs bis 120 fs, 500 fs bis 1000 fs und 40 ps. Die schnelle Zerfallskomponente wird mit der Dissoziation der Exzitonen sowie der Thermalisierung der freien Ladungstragen in den linearen Leitungsbandern zu einer heisen Ladungstragerverteilung assoziiert. Die mittlere Zerfallskomponente beschreibt die Abkuhlung und Rekombination der freien Elektronen und Locher. Entscheidender Mechanismus ist hierbei die Streuung an hochenergetischen optischen Phononmoden. Die langsame Zerfallskomponente kann durch langlebige, wahrscheinlich an Storstellen gefangene Ladungstrager erklart werden, deren elektrische Felder durch den Stark-Effekt das ableitungsahnliche transiente Absorptionsspektrum erzeugen. Mittels transienter Absorptionsmessungen an (6,5)-Rohren wurde aus dem anregungsleistungsabhangigen maximalen PB-Signal des S1-Exzitons die Grose des S1-Exzitons zu (7,2 ± 2,5) nm bestimmt. Aus dem Vergleich der leistungsabhangigen maximalen PB-Signale bei Anregung in das S1- und das S2-Exziton ergibt sich, dass die Konversionseffizienz aus dem S2- in den S1-Zustand 1 ± 0,1 betragt und innerhalb der experimentellen Zeitauflosung von 60 fs vollstandig ablauft. Die Exzitongrose in metallischen (9,9)-Rohren wurde bei Exzitonlebensdauern von 15 fs bis 30 fs zu etwa 7 nm bis 12 nm abgeschatzt.