Kurzfassung
Die Größenabhängigkeit der elektronischen Struktur von
Halbleiter Quantenpunkten wird mit spektroskopischen Methoden untersucht. Für
deponierte Germanium Nanokristalle werden mittels Röntgenabsorption und
Photoemission starke Quantum Confinement Effekte nachgewiesen. Die Nanokristalle
werden in situ mit einer schmalen Größenverteilung aus der Gasphase
kondensiert und anschließend auf verschiedene Substrate deponiert. Die Partikel
kristallisieren im Kern in der Diamantstruktur und sind an der Oberfläche nicht
geordnet. Die Morphologie der entstehenden Nanokristallfilme hängt stark von den
verwendeten Substratmaterialen sowie deren Beschaffenheit ab. Die ungeordnete
Partikeloberfläche übt Einfluß auf die elektronische Struktur des gesamten
Nanokristalls aus. In einer Studie über die Größenabhängigkeit der
elektronischen Struktur werden die Leitungs- und Valenzbandkanten von Germanium
Nanokristallen erstmalig untersucht und mit Germanium Festkörperkristallen
verglichen. Für abnehmende Partikelgrößen schieben die Bandkanten zu höheren
Energien, in übereinstimmung mit den Vorhersagen der Quantum Confinement
Theorie. Für eine genauere Bestimmung der Quantum Confinement Effekte im
Leitungsband wird ein Modell entwickelt, welches eine effektive Partikelgröße
für die Röntgenabsorptionsexperimente einführt, wodurch Verbreiterungseffekte in
den Absorptionskanten durch die Partikelgrößenverteilung entfaltet werden
können. Der Vergleich von den Ergebnissen der vorgestellten Studie über
Germanium zu früheren Studien über Silizium ergibt, daß Germanium stärkere
Quantum Confinement Eigenschaften besitzt als Silizium. Unterhalb einer
kritischen Nanokristallgröße von 2.3 ± 0.7 nm wird die Bandlücke von Germanium
größer als die von Silizium - was den umgekehrten Fall der Festkörperkristalle
darstellt. Dieses Resultat entspricht qualitativ theoretischen Vorhersagen der
effektiven Massen Näherung sowie Rechnungen mit der Tight-Binding Methode,
widerspricht allerdings Vorhersagen von neueren Pseudopotenzial Rechnungen. Die
Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment wird auf Unterschiede zwischen den
zugrundeliegenden theoretischen Annahmen und der tatsächlichen Struktur der
Nanokristalle zurück geführt. Die experimentell beobachtete Unordnung der
Partikeloberfläche muss in die theoretischen Modelle integriert werden.
The fundamental structure - property relationship of semiconductor quantum dots has been investigated. For deposited germanium nanocrystals strong quantum confinement effects have been determined with synchrotron radiation based x-ray absorption and photoemission techniques. The nanocrystals are condensed out of the gas phase with a narrow size distribution and subsequently deposited in situ onto various substrates. The particles are crystalline in the cubic phase with a structurally disordered surface shell and the resulting film morphology depends strongly on the substrate material and condition. The disordered surface region has an impact on the overall electronic structure of the particles. In a size-dependent study, the conduction and valence band edge of germanium nanocrystals have been measured for the first time and compared to the bulk crystal. The band edges move to higher energies as the particle size is decreased, consistent with quantum confinement theory. To obtain a more accurate analysis of confinement effects in the empty states, a novel analysis method utilizing an effective particle size for the x-ray absorption experiment, which allows a deconvolution of absorption edge broadening effects, has been introduced. Comparison of the present study to earlier studies on silicon reveals that germanium exhibits stronger quantum confinement effects than silicon. Below a critical particle size of 2.3 ± 0.7nm, the band gap of germanium becomes larger than that of silicon - even if it is the opposite for bulk materials. This result agrees phenomenologically with effective mass and tight binding theories but contradicts the findings of recent pseudopotential calculations. The discrepancy between theory and experiments is attributed to the differences in the theoretical models and experimental systems. The experimentally observed structural disorder of the particle surface has to be included in the theoretical models.