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Arbeitsgruppe Halbleiter-Nanostrukturen

In der Arbeitsgruppe Halbleiter-Nanostrukturen steht die grundlegende Materialforschung für die Umwandlung von Licht in andere Energieformen für photovoltaische sowie sensorische Anwendungen sowie zur photogetriebenen Wasserstofferzeugung im Vordergrund. Die dafür eingesetzten Materialien werden gezielt nanostrukturiert, um Modellsysteme für die Grundlage-nforschung und neuartige Eigenschaften insbesondere zur Erschließung innovativer Anwendungskonzepte zu erhalten.

Forschungsthemen

Im Fokus stehen aktuell die folgenden Themen, die sowohl experimentell als auch mit Hilfe theoretischer Modellierung bearbeitet werden:

  • Hoch-geordnete supra-molekulare Chromophorstrukturen für organische und hybriden Solarzellen und organische Leuchtdioden (OLEDs): Dünne Filme (bis zu molekular dünn) organischer Chromophore werden zu Modellschichtsystemen mit definierter Morphologie und Grenzflächen aufgebaut, um die Ladungstrennung und –transport an Grenzflächen detailliert studieren zu können. Darüber hinaus können stark richtungsabhängige optische Eigenschaften realisiert werden, die als nicht-Lambert-Emitter für OLEDs und in neuartigen semi-transparenten Solarzellen eingesetzt werden können.
  • Silizium-Nanostrukturen für die photo-getriebene Wasserstofferzeugung: Silizium-basierte Nanostrukturen besitzen eine Reihe herausragender physikalischer und chemischer Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen prädestinieren, unter anderem für die photo-getriebene Wasserstofferzeugung. In unserer Gruppe werden grundlegende Aspekte der Wasserstoffgewinnung auf Basis von Silizium-Nanostrukturen, wie Ladungsträgertransport, Mechanismen der Photokatalyse sowie Methoden zur Nanostrukturierung, erforscht bzw. optimiert.
  • Molekulare Sensoren für die Detektion kleiner Moleküle in der Atem oder Umgebungsluft: Der Anwendung elektronischer Nasen zur Detektion physiologisch relevanter Moleküle, wie Stickstoff oder Kohlenstoffoxide, folgend werden molekulare Sensorschichten entwickelt. Diese binden Analyten reversibel, sind elektronisch oder photonisch auslesbar und erlauben die Entwicklung kostengünstiger organischer Alternativen zu klassischen, auf anorgansichen Halbleitern basierenden, elektronischen Nasen.
  • Anorganische Halbleiter Nanostrukturen für die Krebstheranostik: Neue Ansätze für in vitro und in vivo Visualisierung und Biodegradation von Silizium-Nanopartikeln in Krebszellen/Tumoren durch lineare und nichtlineare optische Bildgebungsverfahren werden erprobt. Die Ergebnisse zeigen neue Perspektiven für die multimodale Visualisierung, insbesondere zur Bestimmung der Aufnahme und chemischen Zusammensetzung von Silizium-Nanopartikeln und deren Verteilung in Tumorzellen. Diese Erkenntnisse legen einen Grundstein für die Anwendung von Silizium-Nanostrukturen als hocheffiziente theranostische Substanzen für personalisierte Therapien.

Verfahren und Methoden

In der Arbeitsgruppe werden folgende Verfahren und Charakterisierungsmethoden eingesetzt:

  • Herstellung und Strukturierung dünner (an)organischer Schichten: Top-down und bottom-up Technologien bzw. Dünnschichttechnologie (CVD, ALD, PVD), Lithographie, chemische Methoden zur Nanostrukturierung und Oberflächenmodifizierung, Langmuir-Blodgett- (LB) und Langmuir-Schäfer-Technik (LB: Standard- und Alternateabscheidungen, Temperierung, Hell-Dunkelmessungen, R2R-Integration), XRD, EBSD, EDX, Elektronen- und Ionenmikroskopie; SEM, TEM, FIB
  • Spektroskopische Methoden: Standard-Absorptions-, Emissions- (polarisations- und winkelabhängig), und Fluoreszenzanregungsspektroskopie, Online-Fluoreszenzmonitoring von LB-Prozessen, photothermische Deflektionsspektroskopie (PDS), Externe Quanteneffizienzmessungen (EQE), Elektrolumineszenz (EL), Ellipsometrie und UV-vis Spektroskopie
  • Molekülmechanische und quantenchemische Simulationen: Geometrieoptimierung und Konformeridentifizierung von großen Molekülen, Abschätzung von HLB-Werten, Berechnung absoluter Molekülorbitalenergielagen, Absorptions- und Emissionsspektren (auch schwingungsverbreitert), Beschreibung der Eigenschaften von Molekülclustern bis hin zu Materialien sowie der Beschreibung der Dynamik nach Photoanregung (FMS, in Kooperation mit Prof. Martínez) und Fluoreszenzlebenszeiten
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