Colloidal synthetic pathways of atomically-flat complex nanocrystal heterostructures

Kolloidal yarı iletken nanokristaller (NK'lar), giderek artan araştırma ilgisiyle nanobilimin en önemli dallarından biri haline gelmiş ve yakın zamanda en son Nobel Ödülü ile taçlandırılmıştır. NK'ların nanometrik boyutu, boyuta bağlı optik özelliklere izin vermekle birlikte, bu özelliklere ince ayar yapmak için bileşimin yanı sıra fazladan bir araç sağlamaktadır. NK sentezindeki son gelişmeler, NK'ların farklı şekillerinin, bileşimlerinin ve heteroyapılarının tasarımında ve mühendisliğinde önemli geliştirmelere olanak sağlamaktadır. Daha derin bir fiziksel anlayış ve daha karmaşık üretim teknikleriyle birlikte, NK'lar artık birçok optoelektronik aygıta entegre edilebilmekte ve yeni nesil optoelektronik için birincil öneme sahip hale gelmeye başlamıştır. Ancak tüm bu ilerlemelere rağmen, NK'ların tüm potansiyelini çıkarabilmek ve sentez dinamiklerini anlamak için hala daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır. Burada yarı iletkenNK'ların özellikle dört temel yönü ele alınmıştır: şekil mühendisliği, elektronik heteroyapılar, katkılama ve yüzey modifikasyonu. Bu tez araştırmasında, sentez dinamikleri, özellikle çekirdeklenme, büyüme ve difüzyon, farklı sentez yolları ve koşulları için derinlemesine araştırılmış ve bazı önemli zorluklar çözülmüştür. Daha uzun dalga boylarında uygun ışıyıcıların az sayıda olması nedeniyle, bu tezde, gevşetilmiş kuantum sınırlamasına sahip grup II-VI nanolevhalara (NL'ler) dayanan karmaşık ve kalın bir heteroyapı geliştirilmiştir. Önerilen NL'lerin çok kabuklu tasarımı, kalınlık yönündeki olumsuz büyümenin üstesinden gelmeye yardımcı olur; bu, katyon çözünmesi/yeniden kristalleşmesi ve yüksek sıcaklıklarda katyonun yeniden düzenlenmesiyle birlikte alanlar arasındaki gerilimi rahatlatmaktadır. CdSe'nin yığın bant aralığına yakın derin kırmızı bölgede ışıyan son NL'ler, ışık yayan diyot (LED) cihazında aktif bir katman olarak kullanılmış ve 701 nm'lik elektrolüminesans tepe dalga boyunda %6.8'lik olağanüstü yüksek bir harici kuantum verimliliği (EQE) sergilemiştir. Bu değer, literatürde koloitler için bu spektral aralıkta bildirilen en yüksek değerlerden biridir. Ek olarak, çeşitli doğrudan ve dolaylı rekombinasyon yollarının hem tip-I hem de tip-II özelliklere sahip fotolüminesansa yol açtığı, çok taçlı NL'lerin yeni bir heteroyapısı tasarlanmış ve gösterilmiştir. Bu NL'lerin tasarımının, özellikle alan boyutlarının, sıcaklıkla birlikte rekombinasyon kanallarını etkinleştirebilen/devre dışı bırakabilen nihai optik özellikleri önemli ölçüde etkilediği gösterilmiştir. Bu çok taçlı tip-II NL'ler, en yüksek değeri 12.9 x 106 GM olan son derece yüksek iki fotonlu soğurma kesiti ve fotodetektörler, biyogörüntüleme ve kuantum cihazları dahil olmak üzere optoelektronik uygulamalar için kritik olan düşük karanlık-parlak eksiton bölme enerjisi sergilemektedirler. Bir sonraki aşamada, kabuk büyümesinden sonra kendi kendini temizlemesi nedeniyle daha önce zorlu olduğu kanıtlanan çekirdek/kabuk NL'lerinin gümüş katkı dinamikleri gösterilmiştir. Burada kabuk bileşiminin, geri dönüşü olmayan katkılama rejimindeki yüksek katkılama sıcaklıklarında NL'lerin yok etme mekanizmasında önemli bir faktör olduğu gösterilmiştir. Ag:CdSe/CdZnS çekirdek/kabuk NL'ler, daha iyi örgü koruması ve daha yüksek katkı içeriği sayesinde CdS kabuklu NL'lere kıyasla yalnızca üstün paramanyetik özelliklere sahip katkı ışıması sergilerler. Son olarak grup I-III-VI NK'ların elektronik özelliklerini geliştirmek için bir yüzey modifikasyon yöntemi önerilmiş ve gösterilmiştir. Uzun zincirli organik ligandların S2- katmanıyla değiştirilmesi, negatif yük enjeksiyonu ve donör bölgelerin pasifleştirilmesi, bu NK'lara dayalı alan etkili transistörlerin (FET'ler) davranışını p tipinden n tipine, taşıyıcı hareketliliğinde 105 kattan daha fazla artış ile değiştirmiştir. Bu yöntem, katyonların difüzyonu ve kabuk oluşumu yoluyla NK'ların optik özelliklerinin hassas bir şekilde ayarlanmasına izin vermiştir. Bu tezin bulguları, yarı iletken NK'lar alanındaki bazı önemli zorluklara ışık tutarken, sentetik yollar ve optoelektronik özellikler üzerine gelecekteki araştırmalar için bir kılavuz çizmektedir. Tez, geliştirilen NK'ların potansiyellerini tam olarak gerçekleştirmeleri için gelecekteki aygıt entegrasyonunun yolunu açarken, doğrusal olmayan soğurma, paramanyetizma ve karanlık-parlak eksiton bölünmesi dâhil daha ayrıntılı özelliklerin gösteren, yarı iletken NK'ların fiziğine odaklanan daha ileri temel çalışmaları teşvik etmektedir.