Controlling exciton photophysics in single-walled carbon nanotubes
Tek duvarlı karbon nanotüplerde eksiton fotofiziğinin kontrolü
- Tez No: 875815
- Danışmanlar: PROF. DR. STEFAN STRAUF
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Stevens Institute of Technology
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 174
Özet
Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler) hem temel araştırmalar hem de cihaz uygulamaları için çekici olan özgün mekanik, optik, elektronik ve termal özelliklere sahip olmaları nedeniyle bilim insanları ve mühendisler tarafından kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Özellikle, SWCNT'lerin oda sıcaklığında dahi kararlı olan güçlü bağlanmış eksitonlar (elektron-deşik çiftleri) oluşturmaları ve görünür bölgeden telekom dalga boylarına kadar bant aralığında ayarlanabilir ışık yayılımı gibi önemli optik özellikleri, onları optoelektronik ve nanofotonik cihazlar için gelecek vaadeden bir malzeme yapmaktadır. Ancak, SWCNT'lerdeki eksitonların fotofiziği henüz tam olarak anlaşılamamış olup, büyük ölçüde zararlı çevresel etkilerden etkilenmektedir, bu da cihaz performansında önemli ölçüde azalmaya yol açmaktadır. Bu tez, SWCNT'lerdeki eksitonların fotofiziğini daha iyi anlamak ve kontrol etmek için yeni yöntemler ve teknikler göstermektedir. İlk bölüm, sürfaktan kullanılarak dağıtılmış SWCNT'lerin optik ışımasında ortaya çıkan spektral difüzyon ve yanıp-sönmeyi milisaniye zaman ölçeğinde tamamen ortadan kaldırmanın yeni yollarını sunmakta ve ayrıca 50 kat artırılmış eksiton emisyonunu göstermektedir. Ayrıca, güçlü foton antibirleşmesi ilk kez rezonans uyarımı altında gözlemlenmiştir. Gösterilen tek foton ışıması, kuantum kriptografi uygulamaları için umut verici olup, elde edilen kararlı uzun süreli ışıma ise optoelektronik cihazlar için önemlidir. İkinci bölüm, ultra temiz SWCNT'lerde ultra dar eksiton çizgi genişliği ve 18 ns'ye kadar uzatılmış ışıma süreleriyle karakterize edilen yeni bir içsel eksiton fotofiziği rejimini göstermektedir. Elde edilen bu ışıma ömürleri önceki ölçümlerden iki kat daha iyidir ve on yıl önce teorisyenler tarafından öngörülen değerlerle uyumludur. Ayrıca, bu çalışmada ilk kez tek bir nanotüpten zaman alanında eksiton dekoherans süreleri ölçüldü ve daha önce karbon nanotüp toplulukları ile yapılan çalışmalarda elde edilen değerlere kıyasla dört kat uzun ve 2 ps'ye ulaşan değerler elde edildi. Son olarak, lazer buharlaştırma yöntemi ile büyütülen ve kopolimer ile sarmalanan SWCNT'lerde eksiton-akustik fonon etkileşimini nano ölçekte kontrol eden yeni bir yöntemi gösterdim. Bu SWCNT'lerin fonon yan bant-çözünürlüklü ışıma spektrumları kopolimer sarmalamanın neden olduğu akustik-fonon lokalizasyonuna dayanan bir modelle başarıyla açıklandı. Bu tezdeki sonuçlar, SWCNT'lerdeki temel eksiton-fonon etkileşimini anlamayı geliştirerek ve eksiton fotofiziğini doğrudan kontrol etmenin yeni yollarını göstererek, gelişmiş kuantum fotonik cihazlar için yeni yollar açmaktadır.
Özet (Çeviri)
Single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) have been studied extensively by scientists and engineers due to their unique mechanical, optical, electronic and thermal properties that make them attractive for both fundamental research and device applications. Specifically, important optical properties of SWCNTs such as formation of strongly bound excitons (electron-hole pairs), being stable at room temperature, and bandgap-tunable light emission from visible to telecom wavelengths make them a promising material for optoelectronic and nanophotonic devices. However, the photophysics of excitons in SWCNTs is not yet fully understood and is largely affected by detrimental extrinsic effects, which give rise to strongly reduced device performance. This dissertation demonstrates novel methods and techniques to better understand and to control the photophysics of excitons in SWCNTs. The first part presents novel ways to completely remove detrimental spectral diffusion and blinking in the optical emission of surfactant dispersed SWCNTs on millisecond time scales and also demonstrates 50-fold enhanced exciton emission. Furthermore, pronounced photon antibunching is observed for the first time under resonant excitation. The demonstrated single photon emission is promising for applications in quantum cryptography, while the achieved stable long term emission is important for optoelectronic devices. The second part demonstrates a new regime of intrinsic exciton photophysics in ultra-clean SWCNTs that is characterized by ultra-narrow exciton linewidth and prolonged emission times up to 18 ns. These lifetimes are two orders of magnitude better than prior measurements and in agreement with values predicted by theorists a decade ago. Moreover, I measure for the first time exciton decoherence times of individual nanotubes in the time-domain and demonstrate fourfold prolonged values up to 2 ps compared to previous ensemble studies. Finally, I demonstrate a novel method which controls exciton-acoustic phonon interaction at the nanoscale by utilizing laser vaporization growth of SWCNTs combined with copolymer wrapping. The phonon sideband-resolved emission spectra of these SWCNTs are successfully described by a model relying on acoustic-phonon localization created by copolymer wrapping. The results in this dissertation advance the understanding of underlying exciton phonon interaction in SWCNTs and also demonstrate novel ways to directly control the exciton photophysics, thereby opening novel pathways for enhanced quantum photonic devices.
Benzer Tezler
- InSe ve InSe:N yarıiletken kristallerinin büyütülmesi ve optik karakterizasyonu
Growth and optical characterization of InSe and InSe:N semiconductor crystals
MURAT SOYLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Fizik ve Fizik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BAHATTİN ABAY
- Development of solar cells based on surface passivated lead telluride quantum dots and lead selenide nanorods; a comprehensive approach targeting the instability and surface mediated trap states
Yüzey modifikasyonu yapılmış kurşun teleryum kuantum nokta ve kurşun selenyum nanoçubuk temelli güneş hücrelerinin geliştirilmesi; kararsızlığın ve yüzey kaynaklı tuzak bantlarının ortadan kaldırılması
TUĞBA HACIEFENDİOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET ASİL ALPTEKİN
- GaTe, GaTe:Er ve GaTe:Cu yarıiletkenlerinin büyütülmesi, elektriksel ve optik karakterizasyonu
Growth electrical and optical characterisation of GaTe, GaTe: Er and GaTe: Cu semiconductors
HÜSNÜ SALİH GÜDER
Doktora
Türkçe
1999
Fizik ve Fizik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAHYA KEMAL YOĞURTÇU
- Computational study of excitons and biexcitons in semiconductor core/shell nanocrystals of type I and type II
Yarı iletken tip I ve tip II çekırdek/kabuk nanokristallerdeki eksiton ve bieksitonların hesaplamalı incelemesi
OZAN YERLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Bölümü
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- İşletme bütçeleri yoluyla üretim giderlerinin kontrolü
Controlling production expenditures via enterprise budgets
İLKER MAMAK