Seebeck Coefficient in Bulk and Quantum Wells of Non-Parabolic Kane-Type Materials

We present a simplified and quantitative analysis of the Seebeck coefficient in degenerate bulk and quantum well materials whose conduction band electrons obey Kane's non-parabolic energy dispersion relation. We use k.p formalism to include the effect of the overlap function due to the band non-parabolicity in the Seebeck coefficient. We also address the key issues and the conditions in which the Seebeck coefficient in quantum wells should exhibit oscillatory dependency with the film thickness under the acoustic phonon and ionized impurity scattering. The effect of screening length in degenerate bulk and quantum wells has also been generalized for the determination of ionization scattering. The well-known expressions of the Seebeck coefficient in non-degenerate wide band gap materials for both bulk and quantum wells has been obtained as a special case and this provides an indirect proof of our generalized theoretical analysis.

Environmental remediation by photocatalysis

Photocatalysis refers to the oxidation and reduction reactions on semiconductor surfaces, mediated by the valence band holes and conduction band electrons, which are generated by the absorption of ultraviolet or visible light radiation. Photocatalysis is widely being practiced for the degradation and mineralization of hazardous organic compounds to CO2 and H2O, reduction of toxic metal ions to their non-toxic states, deactivation and destruction of water borne microorganisms, decomposition of air pollutants like volatile organic compounds, NOx, CO and NH3, degradation of waste plastics and green synthesis of industrially important chemicals. This review attempts to showcase the well established mechanism of photocatalysis, the use of photocatalysts for water and air pollution control,visible light responsive modified-TiO2 and non-TiO2 based materials for environmental and energy applications, and the importance of developing reaction kinetics for a comprehensive understanding and design of the processes.

Femtosecond laser-induced damage in reflector

We have investigated the damage for ZrO2/SiO2 800 nm 45 degrees high-reflection mirror with femtosecond pulses. The damage morphologies and the evolution of ablation crater depths with laser fluences are dramatically different from that with pulse longer than a few tens of picoseconds. The ablation in multilayers occurs layer by layer, and not continuously as in the case of bulk single crystalline or amorphous materials. The weak point in damage is the interface between two layers. We also report its single-short damage thresholds for pulse durations ranging from 50 to 900 fs, which departs from the diffusion-dominated tau(1/2)(p) scaling. A developed avalanche model, including the production of conduction band electrons (CBE) and laser energy deposition, is applied to study the damage mechanisms. The theoretical results agree well with our measurements. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Ultrafast electronic excitation in CaF2 crystals

A new pump and probe experimental system was developed, the pump pulse duration of which is stretched and is much longer than that of the probe pulse. Using this system, time-resolved electronic excitation processes and damage mechanisms in CaF2 crystals were studied. The measured reflectivity of the probe pulse begins to increase at the peak of the pump pulse and increases rapidly in the latter half of the pump pulse, when the pump pulse duration is stretched to 580fs. Our experimental results indicate that both multiphoton ionization and impact ionization play important roles in the generation of conduction band electrons, at least they do so when the pump pulse durations are equal to or longer than 580fs.

Mechanisms of femtosecond laser-induced breakdown and damage in MgO

Single-shot laser damage threshold of MgO for 40-986 fs, 800 nm laser pulses is reported. The pump-probe measurements with femtosecond pulses were carried out to investigate the time-resolved electronic excitation processes. A theoretical model including conduction band electrons (CBE) production and laser energy deposition was applied to discuss the roles of multiphoton ionization (MPI) and avalanche ionization in femtosecond laser-induced dielectric breakdown. The results indicate that avalanche ionization plays the dominant role in the femtosecond laser-induced breakdown in MgO near the damage threshold. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

超短脉冲照射下氟化锂的烧蚀机理及其超快动力学研究

研究了超短脉冲激光照射下LiF晶体的破坏机理及其超快动力学过程，利用扫描电镜和原子力显微镜等测试手段，观测了飞秒激光照射下LiF晶体的烧蚀形貌。利用烧蚀面积与激光脉冲能量的对数关系确定了LiF晶体的破坏阈值，并利用非线性玻璃棒展宽脉宽，得到了800nm激光作用下LiF破坏阈值对激光脉宽（50～1000fs）的依赖关系；利用抽运一探针超快探测平台，探测了LiF烧蚀过程中反射率的变化。采用雪崩击穿模型，并根据晶体材料反射率与材料的介电常量的依赖关系，通过数值计算，模拟了材料烧蚀阈值与脉宽的依赖关系及材料激发过

周期量级超短激光脉冲作用下导带电子的光吸收与碰撞电离

激光照射下光学材料的损伤过程中，导带电子的加热和碰撞电离是非常重要的过程，影响着导带电子的产生、晶格能量的沉积和破坏．分析了Drude模型的局限性，从经典力学出发求解了周期量级激光场中导带电子的运动方程，计算了导带电子的光吸收和碰撞电离，分析了激光强度、载波相位等对碰撞电离的影响．

Theoretical and experimental study on femtosecond laser induced damage in CaF2 crystals

We report on the damage threshold in CaF2 crystals induced by femtosecond laser at wavelengths of 800 nm and 400 nm, respectively. The dependences of ablation depths and ablation volumes on laser fluences are also presented. We investigate theoretically the coupling constants between phonon and conduction band electrons (CBE), and calculate the rates of CBE absorbing laser energy. A theoretical model including CBE production, laser energy deposition, and CBE diffusion is applied to study the damage mechanisms. Our results indicate that energy diffusion greatly influences damage threshold and ablation depth.

The ultrafast excitation processes in femtosecond laser-induced damage in dielectric omnidirectional reflectors

A pump and probe system is developed, where the probe pulse duration tau is less than 60 fs while the pump pulse is stretched up to 150-670 fs. The time-resolved excitation processes and damage mechanisms in the omnidirectional reflectors SiO2/TiO2 and ZnS/MgF2 are studied. It is found that as the pump pulse energy is higher than the threshold value, the reflectivity of the probe pulse decreases rapidly during the former half, rather than around the peak of the pump pulse. A coupled dynamic model based on the avalanche ionization (AI) theory is used to study the excitation processes in the sample and its inverse influences on the pump pulse. The results indicate that as pulse duration is longer than 150 fs, photoionization (PI) and AI both play important roles in the generation of conduction band electrons (CBEs); the CBE density generated via AI is higher than that via PI by a factor of 10(2)-10(4). The theory explains well the experimental results about the ultrafast excitation processes and the threshold fluences. (c) 2006 American Institute of Physics.

Ultraviolet-infrared femtosecond laser-induced damage in fused silica and CaF2 crystals

The damage in fused silica and CaF2 crystals induced by wavelength tunable femtosecond lasers is studied. The threshold fluence is observed to increase rapidly with laser wavelength lambda in the region of 250-800 nm, while it is nearly a constant for 800 conduction band electrons (CBEs). We study the CBEs absorption via subconduction-band (sub-CB) transition, and develop a coupled avalanche model. Our results indicate that the CBEs absorption via sub-CB transition plays an important role in the damage in dielectrics irradiated by the visible and near ultraviolet femtosecond lasers. Our theory explains well the experiments.

单脉冲飞秒脉冲激光对单层和高反光学薄膜的损伤

用电子柬蒸发的方法在BK7玻璃上制备了ZrO2单层膜和ZrO2／SiO2高反膜，利用掺Ti：sapphire飞秒激光系统输出的中心波长为800nm，脉宽为50fs的激光脉冲对这两种样品进行了激光损伤阈值测试．实验结果表明，ZrO2单层膜的阂值比ZrO2／SiO2高反膜的高；这与传统的纳秒脉冲激光的损伤情况相反．利用光离化和碰撞离化激发电子到导带，形成电子等离子体基本模型并对此现象进行了解释．同时，用显微镜对样品的损伤形貌进行了观测，对损伤的特点进行了表征．

Preparation and applications of periodical gold nanoparticle arrays

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Anwendungen von periodischen Goldnanopartikel-Arrays (PPAs), die mit Hilfe von Nanosphären-Lithografie hergestellt wurden. In Abhängigkeit der verwendeten Nanosphären-Größe wurden dabei entweder kleine dreieckige Nanopartikel (NP) (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 330 nm) oder große dreieckige NPD sowie leicht gestreckte NP (bei Verwendung von Nanosphären mit einem Durchmesser von 1390 nm) hergestellt. Die Charakterisierung der PPAs erfolgte mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und optischer Spektroskopie. Die kleinen NP besitzen ein Achsverhältnis (AV) von 2,47 (Kantenlänge des NPs: (74+/-6) nm, Höhe: (30+/-4) nm. Die großen dreieckigen NP haben ein AV von 3 (Kantenlänge des NPs:(465+/-27) nm, Höhe: (1530+/-10) nm) und die leicht gestreckten NP (die aufgrund der Ausbildung von Doppelschichten ebenfalls auf der gleichen Probe erzeugt wurden) haben eine Länge von (364+/-16)nm, eine Breite von (150+/-20) nm und eine Höhe von (150+/-10)nm. Die optischen Eigenschaften dieser NP werden durch lokalisierte Oberflächenplasmon-Polariton Resonanzen (LPPRs) dominiert, d.h. von einem eingestrahlten elektromagnetischen Feld angeregte kollektive Schwingungen der Leitungsbandelektronen. In dieser Arbeit wurden drei signifikante Herausforderungen für Plasmonik-Anwendungen bearbeitet, welche die einzigartigen optischen Eigenschaften dieser NP ausnutzen. Erstens wurden Ergebnisse der selektiven und präzisen Größenmanipulation und damit einer Kontrolle der interpartikulären Abstände von den dreieckigen Goldnanopartikel mit Hilfe von ns-gepulstem Laserlicht präsentiert. Die verwendete Methode basiert hierbei auf der Größen- und Formabhängigkeit der LPPRs der NP. Zweitens wurde die sensorischen Fähigkeiten von Gold-NP ausgenutzt, um die Bildung von molekularen Drähten auf den PPAs durch schrittweise Zugabe von unterschiedlichen molekularen Spezies zu untersuchen. Hierbei wurde die Verschiebung der LSPPR in den optischen Spektren dazu ausgenutzt, die Bildung der Nanodrähte zu überwachen. Drittens wurden Experimente vorgestellt, die sich die lokale Feldverstärkung von NP zu nutze machen, um eine hochgeordnete Nanostrukturierung von Oberflächen mittels fs-gepulstem Laserlicht zu bewerkstelligen. Dabei zeigt sich, dass neben der verwendeten Fluenz die Polarisationsrichtung des eingestrahlten Laserlichts in Bezug zu der NP-Orientierung sowie die Größe der NP äußerst wichtige Parameter für die Nanostrukturierung darstellen. So konnten z.B. Nanolöcher erzeugt werden, die bei höheren Fluenzen zu Nanogräben und Nanokanälen zusammen wuchsen. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse von enormer Wichtigkeit für weitere Anwendungen sind.

Plasmonic nanoparticles as sensors : a novel approach to quantify adsorption and diffusion kinetics

Biosensors find wide application in clinical diagnostics, bioprocess control and environmental monitoring. They should not only show high specificity and reproducibility but also a high sensitivity and stability of the signal. Therefore, I introduce a novel sensor technology based on plasmonic nanoparticles which overcomes both of these limitations. Plasmonic nanoparticles exhibit strong absorption and scattering in the visible and near-infrared spectral range. The plasmon resonance, the collective coherent oscillation mode of the conduction band electrons against the positively charged ionic lattice, is sensitive to the local environment of the particle. I monitor these changes in the resonance wavelength by a new dark-field spectroscopy technique. Due to a strong light source and a highly sensitive detector a temporal resolution in the microsecond regime is possible in combination with a high spectral stability. This opens a window to investigate dynamics on the molecular level and to gain knowledge about fundamental biological processes.rnFirst, I investigate adsorption at the non-equilibrium as well as at the equilibrium state. I show the temporal evolution of single adsorption events of fibrinogen on the surface of the sensor on a millisecond timescale. Fibrinogen is a blood plasma protein with a unique shape that plays a central role in blood coagulation and is always involved in cell-biomaterial interactions. Further, I monitor equilibrium coverage fluctuations of sodium dodecyl sulfate and demonstrate a new approach to quantify the characteristic rate constants which is independent of mass transfer interference and long term drifts of the measured signal. This method has been investigated theoretically by Monte-Carlo simulations but so far there has been no sensor technology with a sufficient signal-to-noise ratio.rnSecond, I apply plasmonic nanoparticles as sensors for the determination of diffusion coefficients. Thereby, the sensing volume of a single, immobilized nanorod is used as detection volume. When a diffusing particle enters the detection volume a shift in the resonance wavelength is introduced. As no labeling of the analyte is necessary the hydrodynamic radius and thus the diffusion properties are not altered and can be studied in their natural form. In comparison to the conventional Fluorescence Correlation Spectroscopy technique a volume reduction by a factor of 5000-10000 is reached.

Sensing applications of biofunctionalised plasmonic gold nanoparticles

Plasmonische Metallnanopartikel bündeln, verstärken und beeinflussen Licht auf nanoskopischer Ebene. Diese grundlegende Eigenschaft kommt von koheränten, kollektiven Schwingungen der Leitungsbandelektronen, die von einfallendem Licht resonant angeregt und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) oder ‚Partikelplasmonen‘ genannt werden. Plasmonen in Metallnanopartikeln wurden bisher z.B. zur Erkennen von pathogenen Biomolekülen, bei der photothermischen Therapie und zur Verbesserung der Effizienz von Solarzellen verwendet. In dieser Arbeit werde ich meinen Fokus auf die Synthese und Funktionalisierung von Goldnanopartikeln zur Anwendung als Sensoren legen.rnrnKürzliche Verbesserungen in der nasschemischen Synthese haben zur Herstellung von Goldnanopartikel mit unterschiedlichen Formen und Größen geführt, die sich in ihren Sensoreigenschaften unterscheiden. Unter den unterschiedlichen Sensorgeometrien sind Goldnanostäbchen die bevorzugte Form zur Biomolekül-Sensorik durch LSPR. Nanostäbchen werden durch eine positiv geladene CTAB-Schicht stabilisiert, die Proteine bei neutralem pH-Wert anziehen kann. Die Adsorption und Desorption von Proteinen an der Nanopartikeloberfläche und damit die Bindungskinetiken von Proteinen kann auf Einzelmolekülebene erforscht werden. Ich zeige hier eine Studie mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung um einzelne Bindungsereignisse von Fibronectin auf Goldnanostäbchen darzustellen.rnrnGoldnanostäbchen müssen mit spezifischen biologischen Erkennungselementen funktionalisiert werden um eine Analyterkennung oder Proteinwechselwirkung zu erreichen. Ich funktionalisiere Goldnanostäbchen mit kurzen DNA-Sequenzen (Aptamer-Sequenzen und NTA konjugierten Polihymidinen) und habe anhand diese unterschiedlich sensitiven Partikel eine Studie mit verschiedenen Analyten (oder Protein-Protein Wechselwirkungen) erfolgreich durchgeführt.rn rnPlasmonen von Nanopartikel-Clustern koppeln miteinander, was ihre Resonanzenergie ändert. Der kontrollierte Zusammenbau von Nanopartikeln zu Dimeren oder höher geordneten Strukturen wie ‚Core-Satellites‘ können dazu dienen ihre Sensitivität zu erhöhen. Diese Cluster bieten eine hohe Sensitivität auf Grund der Anwesenheit von plasmonischen Hotspots in der Lücke zwischen zwei Partikeln. Die Plasmonkopplung ist ein Phänomen, das abhängig vom Abstand zweier Partikel zueinander ist und bildet somit die Basis von sogenannten Plasmon-Linealen. Ich habe eine Strategie entwickelt um Dimere aus Hsp90 funktionalisierten Goldnanosphären zu bilden. Diese Technik wird nicht durch Ausbleichen oder das Blinken von Farbstoffen limitiert und ich zeige zum ersten Mal wie man dadurch dynamische Proteinkonformationen untersuchen kann.rn

The Redox Potentials of n-type Colloidal Semiconductor Nanocrystals

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08