Optical fiber sensing using quantum dots

Recent advances in the application of semiconductor nanocrystals, or quantum dots, as biochemical sensors are reviewed. Quantum dots have unique optical properties that make them promising alternatives to traditional dyes in many luminescence based bioanalytical techniques. An overview of the more relevant progresses in the application of quantum dots as biochemical probes is addressed. Special focus will be given to configurations where the sensing dots are incorporated in solid membranes and immobilized in optical fibers or planar waveguide platforms.

Propriedades ópticas de nanopartículas de halogenetos de cobre preparadas in situ em filmes híbridos de sílica

The sol-gel process is a technique based on the hydrolysis and polycondensation of metal alkoxides have been investigated as an alternative for the preparation of vitreous or glassceramic materials, for allowing the obtaining of high-purity materials at low temperatures, and to obtain hybrid materials with different compositions. When ORMOSILs are doped with nanoparticles, are called nanocomposites, and its functionality arises when electrons confined in scale three-dimensional structures near zero are excited. In principle, such materials exhibit discrete energy level, with peaks in the absorption spectrum. Therefore, the glasses doped semiconductor nanocrystals are important candidates for the preparation of optical filters with sharp cut-off, and are being exploited commercially for coloring glasses. This study evaluates the optical properties presented by hybrid films of silica doped with copper nanoparticles. The matrix was prepared using the alkoxides 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) and tetraethylorthosilicate (TEOS) doped with Cu2O and hydrolyzed under reflux conditions in two different acidic conditions (HCl and HBr). After thermal treatment at temperatures between 100 °C and 170 °C and/or under the action of commercial black light radiation, CuCl and CuBr present in the hybrid film are transformed into nanoparticles of CuCl or CuBr. The UV-VIS absorption identified the absorption bands, and its variation

Structural and magnetic characterization of colloidal CdMnS

This paper reports on the synthesis (chemical co-precipitation reaction) and characterization (X-ray diffraction, magnetization, and electron paramagnetic resonance) of nanosized Cd1-xMnxS particles with manganese concentration up to x = 0.73. Though the literature reports that nanosized (bulk) CdS can incorporate as much as 30% (50%) of manganese ion within its crystal structure we found manganese segregation at the nanoparticle surface at doping levels as low as 14%. We found that both XRD and magnetization data support the presence of the Mn3O4 phase (observed spin-glass transition around 43 K) at the high manganese doping levels whereas the EPR data strongly suggest preferential incorporation of manganese at the nanoparticle's surface, even at low manganese doping levels. Analyses of the experimental data strongly suggest the preparation of well-defined core/shell (Cd1-xMnxS/Mn3O4) structures at higher levels of manganese doping.

Temperaturabhängige Fluoreszenzdynamik einzelner Halbleiternanokristalle

In der vorliegenden Arbeit wurde die Fluoreszenzdynamik einzelner CdSe-Halbleiternanokristalle und isolierter Nanokristall/Farbstoff-Komplexe untersucht. Dazu wurde ein konfokales Mikros­kop aufgebaut, mit dem Spektren und Zerfallskurven einzelner Fluorophore bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen bis zu 1.4 Kelvin gemessen werden konnten. Mit diesem Aufbau konnten erstmals Fluoreszenz­lebenszeiten einzelner Nanokristalle mit der Methode des zeit­korre­lierten Einze­lphotonen­zählens (timecorrelated single photon counting, TCSPC) bei Raumtemperatur und später auch bei tiefen Temperaturen bestimmt werden. Zur Auswertung der Daten wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Fluoreszenzdynamik aus den exponentiellen oder nicht-exponentiellen Zerfallskurven zu extrahieren. Die Interpretation der berechneten Ratenverteilung lässt auf eine Korrelation zwischen der Fluoreszenzintensität und der Fluoreszenzlebensdauer schließen, deren Ursache auf Quenchermoleküle zurückgeführt wird. Mit geringer werdender Fluoreszenzintensität zerfallen die Abkling­kurven schneller und die Lebensdauern sind breiter verteilt. Messungen bei tiefen Temperaturen ermöglichte es zusätzlich die exzitonische Feinstruktur des Nanokristalls genauer zu Untersuchen. Hier zeigt sich eine deutliche Unterscheidung zwischen einer langsamen, temperaturabhängigen Zerfallskomponente (mit Zerfalssraten bis in den Mikrosekundenbereich) und einer schnellen, temperaturunabhängigen Zerfallsrate. Die gemessenen Ratenverteilungen bestätigten die berechneten theoretischen Zerfallsraten, jedoch auch weitere, mit bisherigen theoretischen Modellen nicht vereinbare, Raten. Schließlich wurden noch der Energietransfer zwischen Nanokristall-Farbstoffmolekül-Komplexen untersucht. Gemessene Abklingkurven der Nano­kristall-Komponente bei 2 Kelvin wiesen gegenüber dem isolierten Nanokristall keine entsprechenden langsamen Zerfallsraten auf.

Hydrophobe und hydrophile Beladung polymerer Vesikel

Polymere Vesikel, gebildet durch Selbstorganisation des amphiphilen Blockcopolymers Polybutadien-b-Polyethylenoxid in Wasser, wurden in der vorliegenden Arbeit erfolgreich mit hydrophoben und hydrophilen Substraten beladen und detailliert charakterisiert. Über verschiedene Präparationsmethoden sind unilamellare PB130-PEO66-Vesikel unterschiedlicher Größen und Verteilungsbreiten zugänglich, die aber alle eine konstante hydrophobe Schalendicke von etwa 15nm aufweisen, wie aus TEM-Messungen hervorgeht. Die hydrophoben Farbstoffe Oil Red EGN, Oil Blue N, Nilrot sowie ein Perylen-Derivat wurden in diese hydrophobe Schale eingelagert. Durch Absorptions-, Emissions-, (cryo)TEM- und Fluoreszenzmikroskopie-Messungen konnte gezeigt werden, dass die selbstorganisierte Struktur durch die Einlagerung der hydrophoben Farbstoffe in die Schale nicht beeinflusst wird. Als zusätzliche hydrophobe Modell-Substrate wurden Halbleiter-Nanokristalle, sogenannte Quantum Dots (QDs, d=5.7nm), erfolgreich in die polymere Vesikelschale eingelagert und durch Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung (DLS) nachgewiesen. Die Position der QDs in der Mitte der polymeren Doppelmembran konnte durch cryogene TEM-Abbildungen aufgezeigt werden. Darüber hinaus wurde die hydrophile Beladung des Vesikelkerns mit dem wasserlöslichen Farbstoff Phloxin B erfolgreich realisiert.

Multicomponent nanodevices based on molecular and nanocrystal moieties

Nanoscience is an emerging and fast-growing field of science with the aim of manipulating nanometric objects with dimension below 100 nm. Top down approach is currently used to build these type of architectures (e.g microchips). The miniaturization process cannot proceed indefinitely due to physical and technical limitations. Those limits are focusing the interest on the bottom-up approach and construction of nano-objects starting from “nano-bricks” like atoms, molecules or nanocrystals. Unlike atoms, molecules can be “fully programmable” and represent the best choice to build up nanostructures. In the past twenty years many examples of functional nano-devices able to perform simple actions have been reported. Nanocrystals which are often considered simply nanostructured materials, can be active part in the development of those nano-devices, in combination with functional molecules. The object of this dissertation is the photophysical and photochemical investigation of nano-objects bearing molecules and semiconductor nanocrystals (QDs) as components. The first part focuses on the characterization of a bistable rotaxane. This study, in collaboration with the group of Prof. J.F. Stoddart (Northwestern University, Evanston, Illinois, USA) who made the synthesis of the compounds, shows the ability of this artificial machine to operate as bistable molecular-level memory under kinetic control. The second part concerns the study of the surface properties of luminescent semiconductor nanocrystals (QDs) and in particular the effect of acid and base on the spectroscopical properties of those nanoparticles. In this section is also reported the work carried out in the laboratory of Prof H. Mattoussi (Florida State University, Tallahassee, Florida, USA), where I developed a novel method for the surface decoration of QDs with lipoic acid-based ligands involving the photoreduction of the di-thiolane moiety.

Biologischer Lichtsammler (LHCII) für Halbleiternanokristalle (Quantum Dots)

Der light harvesting complex II (LHCII) ist ein pflanzliches Membranprotein, das in seiner trimeren Form über 40 Chlorophylle bindet. In der Pflanze kann er besonders effizient Licht sammeln und die Anregungsenergie anschließend fast verlustfrei über andere chlorophyll-bindende Proteine an die Reaktionszentren weiterleiten. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften war es ein Ziel dieser Arbeit, rekombinanten LHCII mit synthetischen Komponenten zu kombinieren, die zur Ladungstrennung befähigt sind. Zu diesem Zweck wurden unter anderem Halbleiternanokristalle (Quantum Dots, QDs) ausgewählt, die je nach Zusammensetzung sowohl als Energieakzeptoren als auch als Energiedonoren in Frage kamen. Durch Optimierung des Puffers gelang es, die Fluoreszenzquantenausbeute der QDs in wässriger Lösung zu erhöhen und zu stabilisieren, so dass die Grundvoraussetzungen für die spektroskopische Untersuchung verschiedener LHCII-QD-Hybridkomplexe erfüllt waren.rnUnter Verwendung bereits etablierter Affinitätssequenzen zur Bindung des LHCII an die QDs konnte gezeigt werden, dass die in dieser Arbeit verwendeten Typ-I QDs aus CdSe und ZnS sich kaum als Energie-Donoren für den LHCII eignen. Ein Hauptgrund lag im vergleichsweise kleinen Försterradius R0 von 4,1 nm. Im Gegensatz dazu wurde ein R0 von 6,4 nm für den LHCII als Donor und Typ-II QDs aus CdTe, CdSe und ZnS als Akzeptor errechnet, wodurch in diesem System eine höhere Effizienz des Energietransfers zu erwarten war. Fluoreszenzspektroskopische Untersuchungen von Hybridkomplexen aus LHCII und Typ-II QDs ergaben eine hohe Plausibilität für einen Fluoreszenz Resonanz Energietransfer (FRET) vom Lichtsammler auf die QDs. Weitere QD-Affinitätssequenzen für den LHCII wurden identifiziert und deren Bindekonstanten ermittelt. Versuche mit dem Elektronenakzeptor Methylviologen lieferten gute Hinweise auf eine LHCII-sensibilisierte Ladungstrennung der Typ-II QDs, auch wenn dies noch anhand alternativer Messmethoden wie z.B. durch transiente Absorptionsspektroskopie bestätigt werden muss. rnEin weiteres Ziel war die Verwendung von LHCII als Lichtsammler in dye-sensitized solar cells (DSSC). Geeignete dotierte TiO2-Platten wurden ermittelt, das Verfahren zur Belegung der Platten optimiert und daher mit wenig Aufwand eine hohe LHCII-Belegungsdichte erzielt. Erste Messungen von Aktionsspektren mit LHCII und einem zur Ladungstrennung fähigen Rylenfarbstoff zeigen eine, wenn auch geringe, LHCII sensibilisierte Ladungstrennung. rnDie Verwendung von Lanthanide-Binding-Tags (LBTs) ist ein potentielles Verfahren zur in vivo-Markierung von Proteinen mit Lanthanoiden wie Europium und Terbium. Diese Metalle besitzen eine überdurchschnittlich lange Lumineszenzlebensdauer, so dass sie leicht von anderen fluoreszierenden Molekülen unterschieden werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang es, eine LBT in rekombinanten LHCII einzubauen und einen Lumineszenz Resonanz Energietransfer (LRET) vom Europium auf den LHCII nachzuweisen.rn

Emissions- und Anregungsspektroskopie einzelner Halbleiternanokristalle bei kryogenen Temperaturen

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Synthese und Charakterisierung nanoskopischer Objekte zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. Insbesondere die Größenabhängigkeit optischer Eigenschaften in Halbleiternanokristallen eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. Das Verständnis der größenabhängigen elektronischen Struktur derartiger Nanokristalle ist ein interessantes Feld der Grundlagenforschung, da sie den Übergang vom Atom zum makroskopischen Material repräsentieren. Die Einzigartigkeit eines jeden Nanokristalls aufgrund von Inhomogenitäten in Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit erfordert die Untersuchung der elektronischen Struktur mittels der Spektroskopie einzelner Nanokristalle.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie einzelner CdSe/ZnS-Nanokristalle bei kryogenen Temperaturen etabliert und für Partikel verschiedener Größen eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein konfokales Mikroskop aufgebaut, das die Spektroskopie einzelner Emitter in einem Temperaturbereich von 1.4 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Die zur Anregungsspektroskopie angewendete Methode erlaubte die Untersuchung des vollen Spektralbereichs des 1S3/2-1Se-Exzitons, der sogenannten exzitonischen Feinstruktur. Obwohl es sich bei dem niederenergetischsten Übergang um einen verbotenen Übergang handelt, konnte dieser regelmäßig detektiert werden. Die Energieseparationen der beiden niederenergetischsten Übergänge wurden in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des etablierten EMA-Modells gefunden. Für die weiteren Übergänge zeigten die Experimente, dass deren Energiedifferenz zum niederenergetischsten Übergang vom EMA-Modell unterschätzt wird. Abschließend wurde die Polarisationsabhängigkeit der Übergänge in verschiedene Zustände der exzitonischen Feinstruktur untersucht, wobei theoretische Vorhersagen der relativen Orientierung der Übergangsdipole der beiden niederenergetischsten Zustände bestätigt werden konnten.rn

Positive Encounters: An Investigative Study on the Effects of Interactions between Cations and Quantum Dots

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Origin of the Enhanced Photoluminescence from Semiconductor CdSeS Nanocrystals

Internal structures of extraordinarily luminescent semiconductor nanoparticles are probed with photoelectron spectroscopy, establishing a gradient alloy structure as an essential ingredient for the observed phenomenon. Comparative photoluminescence lifetime measurements provide direct evidence for a minimization of nonradiative decay channels because of the removal of interfacial defects due to a progressive change in the lattice parameters in such graded structures, exhibiting a nearly single exponential decay Quantum mechanical, calculations suggest a differential extent of spatial collapse of the electron and the hole wave functions in a way that helps to enhance the photoluminescence efficiency, while at the same time increasing the lifetime of the excited state, as observed in the experiments.

Seeded-growth, nanocrystal-fusion, ion-exchange and inorganic-ligand mediated formation of semiconductor-based colloidal heterostructured nanocrystals

This article highlights different synthetic strategies for the preparation of colloidal heterostructured nanocrystals, where at least one component of the constituent nanostructure is a semiconductor. Growth of shell material on a core nanocrystal acting as a seed for heterogeneous nucleation of the shell has been discussed. This seeded-growth technique, being one of the most heavily explored mechanisms, has already been discussed in many other excellent review articles. However, here our discussion has been focused differently based on composition (semiconductor@semiconductor, magnet@semiconductor, metal@semiconductor and vice versa), shape anisotropy of the shell growth, and synthetic methodology such as one-step vs. multi-step. The relatively less explored strategy of preparing heterostructures via colloidal sintering of different nanostructures, known as nanocrystal-fusion, has been reviewed here. The ion-exchange strategy, which has recently attracted huge research interest, where compositional tuning of nanocrystals can be achieved by exchanging either the cation or anion of a nanocrystal, has also been discussed. Specifically, controlled partial ion exchange has been critically reviewed as a viable synthetic strategy for the fabrication of heterostructures. Notably, we have also included the very recent methodology of utilizing inorganic ligands for the fabrication of heterostructured colloidal nanocrystals. This unique strategy of inorganic ligands has appeared as a new frontier for the synthesis of heterostructures and is reviewed in detail here for the first time. In all these cases, recent developments have been discussed with greater detail to add upon the existing reviews on this broad topic of semiconductor-based colloidal heterostructured nanocrystals.

Structural and optical investigation of semiconductor CdSe/CdS core-shell quantum dot thin films

Highly luminescent CdSe/CdS core-shell nanocrystals have been assembled on indium tin oxide (ITO) coated glass substrates using a wet synthesis route. The physical properties of the quantum dots (QD) have been investigated using X-ray diffraction, transmission electron microscopy and optical absorption spectroscopy techniques. These quantum dots showed a strong enhancement in the near band edge absorption. The in situ luminescence behavior has been interpreted in the light of the quantum confinement effect and induced strain in the core-shell structure.

Effect of Structural Modification on the Quantum-Size Effect in II-VI Semiconducting Nanocrystals

The electronic structure of group II-VI semiconductors in the stable wurtzite form is analyzed using state-of-the-art ab initio approaches to extract a simple and chemically transparent tight-binding model. This model can be used to understand the variation in the bandgap with size, for nanoclusters of these compounds. Results complement similar information already available for same systems in the zinc blende structure. A comparison with all available experimental data on quantum size effects in group II-VI semiconductor nanoclusters establishes a remarkable agreement between theory and experiment in both structure types, thereby verifying the predictive ability of our approach. The significant dependence of the quantum size effect on the structure type suggests that the experimental bandgap change at a given size compared to the bulk bandgap, may be used to indicate the structural form of the nanoclusters, particularly in the small size limit, where broadening of diffraction features often make it difficult to unambiguously determine the structure.

Negative differential resistance in GaN nanocrystals above room temperature

Negative differential resistance (NDR) has been observed for the first time above room temperature in gallium nitride nanocrystals synthesized by a simple chemical route. Current-voltage characteristics have been used to investigate this effect through a metal-semiconductor-metal (M-S-M) configuration on SiO2. The NDR effect is reversible and reproducible through many cycles. The threshold voltage is similar to 7 V above room temperature.

Probing Ultrafast Photoinduced Electron Transfer to TiO2 from CdS Nanocrystals of Varying Crystallographic Phase Content

The photoinduced electron transfer processes in a nanoheterostructured semiconductor assembly are complex and depend on various parameters Of the constituents of the assembly. We present here the ultrafast electron transfer characteristics of an assembly comprised of a Wide band semiconductor, titanium dioxide (TiO2), attached to light-harvesting cadmium sulfide (CdS) nanotrystals of varying crystallographic phase content. Quantitative analysis of Synchrotron high-resolution X-ray. diffraction data of CdS nanocrystals precisely reveals the presence of both wurtzite and zinc blende phases in varying amounts. The,estimated content of crystal phases is observed to be strongly dependent on an important synthesis parameter, viz., the ratio of the two solvents. The biphasit nature of CdS influences directly the shape of the nanocrystal at long reaction times as well as the transfer of the photoexcited electrons from the CdS to TiO2 as obtained from transient absorption spectroscopy. A higher amount of zinc blende Phase is observed to be beneficial for fast electron transfer across the CdS-TiO2 interface. The electron transfer rate constant differs by one order of magnitude between the CdS nanocryStals and varies linearly with the fraction of the phases.