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Ingo Großhans

• Mittels der kombinatorischen Ionenstrahlsynthese wurden CdSe-Nanokristalle in einer 500 nm dicken SiO2-Schicht eines thermisch oxidierten Si-Wafers hergestellt. Als Prozessparameter wurden das implantierte Cd:Se-Verhältnis der Proben und bei der anschließenden thermischen Nachbehandlung Temperatur und Zeit systematisch variiert. Durch eine Analyse der Proben hinsichtlich der strukturellen und optischen Eigenschaften konnte deren Abhängigkeit von den Syntheseparametern aufgezeigt werden. Bereits ab einer Temperatur von 700 °C und einer Temperzeit von 30 s in einer Tiefe von ca. 100 nm lässt sich die Bildung von CdSe-Nanokristallen nachweisen. Dabei haben die Kristallite einen mittleren Durchmesser von ca. 5 nm und weisen auf Grund des Quantum-Confinements eine Verschiebung der Exzitonenlinie zu höheren Energien auf. Mit Erhöhung der Temperatur bzw. einer Verlängerung der Temperzeit wächst der mittlere Durchmesser der Nanokristalle während der Ostwaldreifung an, so dass ein ConfinementMittels der kombinatorischen Ionenstrahlsynthese wurden CdSe-Nanokristalle in einer 500 nm dicken SiO2-Schicht eines thermisch oxidierten Si-Wafers hergestellt. Als Prozessparameter wurden das implantierte Cd:Se-Verhältnis der Proben und bei der anschließenden thermischen Nachbehandlung Temperatur und Zeit systematisch variiert. Durch eine Analyse der Proben hinsichtlich der strukturellen und optischen Eigenschaften konnte deren Abhängigkeit von den Syntheseparametern aufgezeigt werden. Bereits ab einer Temperatur von 700 °C und einer Temperzeit von 30 s in einer Tiefe von ca. 100 nm lässt sich die Bildung von CdSe-Nanokristallen nachweisen. Dabei haben die Kristallite einen mittleren Durchmesser von ca. 5 nm und weisen auf Grund des Quantum-Confinements eine Verschiebung der Exzitonenlinie zu höheren Energien auf. Mit Erhöhung der Temperatur bzw. einer Verlängerung der Temperzeit wächst der mittlere Durchmesser der Nanokristalle während der Ostwaldreifung an, so dass ein Confinement nicht mehr zu beobachten ist. Stattdessen zeigt sich eine Diffusion von CdSe-Dimeren bis an die SiO2/Si-Grenzfläche, an der sich dann CdSe-Ausscheidungen mit unterschiedlicher Morphologie, je nach Temperbedingung, bilden. Somit können über einen geeigneten Syntheseprozess Nanokristalle an einer inneren Grenzfläche realisiert werden. Die Diffusion ist dabei von der implantierten Cd:Se-Stöchiometrie abhängig. Diese Abhängigkeit der Diffusionsgeschwindigkeit führt bei geeigneter Wahl der Temperbedingungen zu einer Selbstorganisation der Nanokristalle, d.h. es kommt zu Oszillationen der Konzentrationstiefenverteilung. Diese Oszillationen lassen sich in transmissionselektronenmikroskopischen (TEM) Querschnittsaufnahmen als Bänder aus Nanokristallen parallel zur Oberfläche identifizieren. Messungen der Photolumineszenz (PL) zeigen eine starke Abhängigkeit der Spektren von der implantierten Cd:Se-Stöchiometrie. So steigt die PL-Intensität mit zunehmender Cd-Überstöchiometrie stark an, da das Cadmium die Oberfläche der Nanokristalle passiviert und damit einen nichtstrahlenden Zerfall der Exzitonen an Defekten an der Nanokristall/Matrix-Grenzfläche verhindert wird. Andererseits führt eine implantierte Se-Überstöchiometrie zu einer Stabilisierung kleiner CdSe-Präzipitate während der Ostwaldreifung, so dass ein Quantum-Confinement in den Spektren zu beobachten ist. Diese Kombination von kleinen Kristalliten, die sich in nächster Nähe zu großen befinden, führt zu einem superlinearen Zusammenhang zwischen Anregungsleistung und gemessenem PL-Signal. Dabei hängt das Ausmaß dieser verstärkten spontanen Emission (ASE) von der jeweiligen Temperbedingung ab.…
• CdSe nanocrystals were synthesized by combinatorial ion implantation in a 500 nm thick SiO2 layer of a thermally oxidized silicon wafer. The process parameters (implanted Cd:Se-ratio, temperature and time of the afterwards thermal treatment) were systematically varied. By analyzing the samples with regard to their structural and optical properties, the dependence of these on the process parameters could be shown. Already after an annealing treatment at 700 °C for 30 s the formation of CdSe nanocrystals in 100 nm depth takes place. With this the crystallites have an average diameter of approx. 5 nm, which leads to a quantum confinement of the exzitons and this to a shift of the light emission to higher energies. The average diameter growths during the Ostwald ripening by increasing temperature or time of the thermal treatment, so that the quantum confinement vanishes. Instead of this a diffusion of CdSe dimers towards the SiO2/Si-Interface occurs and there a formation of CdSeCdSe nanocrystals were synthesized by combinatorial ion implantation in a 500 nm thick SiO2 layer of a thermally oxidized silicon wafer. The process parameters (implanted Cd:Se-ratio, temperature and time of the afterwards thermal treatment) were systematically varied. By analyzing the samples with regard to their structural and optical properties, the dependence of these on the process parameters could be shown. Already after an annealing treatment at 700 °C for 30 s the formation of CdSe nanocrystals in 100 nm depth takes place. With this the crystallites have an average diameter of approx. 5 nm, which leads to a quantum confinement of the exzitons and this to a shift of the light emission to higher energies. The average diameter growths during the Ostwald ripening by increasing temperature or time of the thermal treatment, so that the quantum confinement vanishes. Instead of this a diffusion of CdSe dimers towards the SiO2/Si-Interface occurs and there a formation of CdSe nanocrystals with different morphology, depending on the annealing conditions, takes place. With this nanocrystals at an inner interface can be realized by applying a suitable synthesis process. The diffusion depends on the implanted Cd:Se ratio. This dependence of the diffusion velocity leads with suitable annealing conditions to a selforganization of the nanocrystals, i.e. oscillations in the concentration depth distribution appear. These oscillations can be identified in transmission electron microscope (TEM) cross-section images as bands of nanocrystals parallel to the surface. Photoluminescence measurements show a strong dependence of the spectra on the implanted Cd:Se-ratio. The PL-intensity growths with increasing Cd-overstoichiometry very strong, because the cadmium passivates the surface of the nanocrystals and this prevents non-radiative decay of the excitons at defects at the nanocrystal/matrix-interface. On the other hand implanted Se-overstoichiometry stabilizes the small CdSe-precipitates during Ostwald ripening, so that quantum confinement can be observed. This combination of small crystals, which are in close neighborhood of big ones lead to a superlinear connection between excitation power and measured PL-signal. The intensity of this amplified spontaneous emission (ASE) depends on the particular annealing condition.…