Die Temperatur spielt bei Halbleitern eine wichtige Rolle. Thermische Energie kann Elektronen aus dem Leitungsband in das Valenzband anregen, Exzitonen dissoziieren, zu verstärktem strahlungslosem Zerfall führen und die Erzeugung von Phononen fördern.
Diese Gitterschwingungen interagieren mit Energie- und Ladungsträgern und verbreitern das energetische Niveau stark. Dies kann es schwierig machen, neue Materialien zu untersuchen und zu verstehen, insbesondere wenn es auch eine große Probeninhomogenität gibt, die zu einer weiteren Verbreiterung führt.
Dementsprechend kann man durch die Durchführung optischer Spektroskopie unterhalb Raumtemperatur wertvolle Einblicke in diese neuartigen Systeme gewinnen. Bei niedrigen Temperaturen nehmen PL-Signale von Nanokristallen oft stark zu und verengen sich spektral (unten links).
Das Ausmaß, in dem dies geschieht, wird hauptsächlich durch das Ausmaß der Träger-Phonon-Wechselwirkungen beeinflusst. Durch die Messung des PL über einen großen Temperaturbereich können daher viele Details dieser Wechselwirkungen für Materialien wie Nanokristalle bestimmt werden.
Zur Temperierung unserer Proben verwenden wir einen sogenannten Closed-Cycle-Kryostaten, der – ähnlich wie ein Kühlschrank – ein komprimierendes Medium (in unserem Fall flüssiges Helium) verwendet, um die Probe auf nur 4K herunterzukühlen.
Bei diesen niedrigen Temperaturen verengen sich PL-Signale so weit, dass sie die Nachweisgrenze der meisten Spektrometer erreichen. Beispielsweise sind optische Übergänge in 2D-Halogenid-Perowskit-Nanoplättchen unter 500 µeV breit (unten rechts). Dies ermöglicht eine Auflösung der Feinstruktur einzelner Nanokristalle, mit der das Material besser verstanden werden kann.
Für die temperaturaufgelösten Messungen verwenden wir einen selbstgebauten µ-PL-Aufbau, wobei die Probe in einem Kryostaten mit geschlossenem Kreislauf montiert ist. Temperaturen zwischen 4K und 350K können problemlos erreicht werden. Die Anregung erfolgt über einen durchstimmbaren Weißlichtlaser, optische Signale werden mit einem Spektrometer und einem CCD (PL-Spektroskopie), einer Avalanche-Photodiode (zeitaufgelöste PL) oder zwei Photodioden zur Untersuchung von Bunching/Antibunching detektiert.
Für weitere Informationen über tieftemperatur- und temperaturaufgelöste optische Spektroskopie lesen Sie einige unserer Publikationen oder wenden Sie sich an Moritz Gramlich oder Markus Schoger.
Dephasing and quantum beating of excitons in methyl ammonium lead iodide perovskite nanoplatelets, B. J. Bohn, T. Simon, M. Gramlich, A. F. Richter, L. Polavarapu, A. S. Urban, J. Feldmann, ACS Photonics 5 (2017), 648-654