FOR 1616: Dynamics and Interactions of Semiconductor Nanowires for Optoelectronics
Chemistry
Computer Science, Systems and Electrical Engineering
Materials Science and Engineering
Final Report Abstract
Die DFG-Forschungsgruppe (FOR) 1616 „Dynamics and Interactions of Semiconductor Nanowires for Optoelectronics“ war ein kooperatives Forschungsprogramm, welches in erster Linie die Wechselwirkungen und Dynamiken zwischen Halbleiternanodrähten und deren Umgebung thematisiert hat, sowie deren Konsequenzen für optoelektronische Anwendungen (wie z.B. für Laser, LEDs, Solarzellen, etc.) untersucht hat. Diese Forschungsgruppe wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Zeitraum von 2012 bis 2018 gefördert, mit dem Ziel, Halbleiternanodrähte in spezifische funktionelle Umgebungen zu integrieren, und dann die resultierenden Dynamiken von Ladungsträgern und Photonen sowie die Wechselwirkungen grundlegend zu studieren. Es sollten die einzigartigen Eigenschaften von Halbleiternanodrähten voll ausgeschöpft werden und die grundlegenden und praktischen Grenzen funktionalisierter Nanodrähten für die Realisierung von effizienten Bauelementen eruiert werden. Die über Deutschland ortsverteilten neun Arbeitsgruppen aus den Bereichen der theoretischen (2x) und experimentellen (4x) Physik, Elektrotechnik (2x) sowie Chemie (1x) bildeten im Verlauf der zwei Förderperioden ein interdisziplinär und sehr stark zusammenarbeitendes Team. Verwirklicht wurde dies durch jährliche Projekt- und Doktorandentreffen sowie Sommerschulen und wechselseitigen Forschungsaufenthalten an den verschiedenen Standorten der von der FOR1616 finanzierten Doktoranden. Es wurden aber auch zusätzlich an allen Standorten Studierende – im Rahmen ihrer jeweiligen Master- oder Bachelorarbeiten – als auch weitere (z.B. haushaltsfinanzierte) Doktoranden in das Forschungsprogramm der FOR1616 involviert. Insbesondere die Doktorandentreffen, die ohne die jeweiligen Projektleiter stattgefunden haben, erwiesen sich als extrem fruchtbare Keime für interdisziplinäre und unkonventionelle Zusammenarbeiten innerhalb der FOR1616. In der Summe führte dies zu vielen erfolgreichen Abschlussarbeiten und einer erheblichen Anzahl an Fach- und Ortsübergreifenden Publikationen der beteiligten Arbeitsgruppen. Alle wesentlichen Ziele, die bei der Antragstellung formuliert worden waren, wurden innerhalb der Laufzeit der Forschungsgruppe erreicht. So konnten Halbleiternanodrähte aus verschiedenen Materialien mit extrem hoher Kristallqualität und/oder verschieden drei-dimensionalen geometrischen Aspekten gewachsen werden, die entweder schon während des Wachstums mit Graphen kontaktiert wurden oder im Anschluss nicht-polare Oberflächen geboten haben, die kontaktiert werden konnten. Diese beiden neuen Strategien der elektrischen Kontaktierung versprechen deutlich höhere Effizienzen für Nanodraht-basierte optoelektronische Bauelemente, wie z.B. Solarzellen, LEDs oder Nanolaser. Die hergestellten Halbleiternanodrähte konnten weiterhin erfolgreich durch Oberflächenbehandlungen mit Molekülen oder Quantenpunkten funktionalisiert werden, und dabei ein umfassendes und tiefes Verständnis der elektronischen Kopplungsmechanismen und deren Dynamiken gewonnen werden. Hier bieten die erzielten und neuen optischen Eigenschaften ebenfalls deutliche Vorteile für optoelektronische Bauelemente. Auch die Dynamik der Ladungsträger und die Ausbildung von optischen Moden beim Laserprozess in einzelnen Halbleiternanodrähten konnte in einem kombinatorischen Ansatz theoretisch aufgeklärt aber auch experimentell für verschiedene Materialklassen verifiziert werden. Eine Manipulation zwischen schwacher und starker Kopplung von Polaritonenmoden konnte durch die konforme Beschichtung einzelner Nanodrähte mit konzentrischen Bragg-Reflektoren erzielt werden. Schließlich ist es auch gelungen, das Emissionsspektrum der Halbleiternanodrähte durch das Dotieren mit optisch aktiven Leuchtzentren mittels Ionenimplantation zu verändern, und die atomare Defektkonfiguration der Leuchtzentren aufzuklären.
