| Abstract | Nanostrukture, kao što su nanožice, čestice, cjevčice, štapići itd. intenzivno se proučavaju prvenstveno radi jedinstvenih svojstava koja proizlaze iz niske dimenzionalnosti i kvantnih efekata kao i zbog važnih primjena u nanotehnologiji. Takve nanostrukture, uronjene u razne matrice, mogu se shvatiti kao umjetne krutine gdje su njena svojstva određena svojstvima nanostrukturnih jedinica, na sličan način kao i atomskom konfiguracijom materijala. Kontrola strukture i veličine osnovnih nano-jedinica omogućuje nam dizajniranje svojstava materijala koji ih sadrže (nanomaterijala), zahvaljujući efektu kvantnog zatočenja. Ovaj efekt najviše pogađa delokalizirane elektrone za koje u makroskopskom materijalu vrijedi aproksimacija beskonačnog periodičnog potencijala. To jest, u okolini koju ispunjava npr. 1023 atoma, elektron ne „vidi“ rub materijala već se slobodno kreće u bilo kojem smjeru. S druge strane, ako izoliranu jedinicu materijala smanjimo na mikroskopsku razinu, elektronova se okolina drastično smanji te on „primjećuje“ nedostatak atoma izvan ruba nano-objekta. To znači da prestaje vrijediti aproksimacija beskonačnog periodičnog potencijala, a s njom i većina tabličnih vrijednosti svojstava materijala. Kako je elektron sad zatočen na mikroskopskoj skali, više nije delokaliziran. Nedavna istraživanja pokazala su mogućnost dobivanja posebno zanimljivog nanostrukturiranog materijala koji se sastoji od prostorno uređene 3D mreže Ge nanožica u Al2O3 (alumina) matrici. Iako su poluvodičke i metalne mreže nanožica već dobivane raznim tehnikama, proces nastajanja samog materijala, mogućnosti variranja strukture kao i njegova optička i električna svojstva zahtijevali su dodatna istraživanja. Prvi dio ove disertacije sadrži rezultate novih istraživanja napravljenih u svrhu dubljeg razumijevanja ovakvih materijala. Dodatnu zanimljivu opciju predstavlja dodavanje metala prilikom rasta nanožica čime se bitno mijenjaju svojstva materijala. Konkretno istražila se mogućnost dopiranja spomenutih nanomreža aluminijem koji se ukomponira u alumina matricu. Primarni cilj pripravke ovakvih uzoraka bilo je očuvanje čistog germanija od oksidacije kisikom iz oksidne matrice, ali uočila se i znatno bolja mogućnost pravilnog uređenja nanostruktura radi svojstva aluminija da reagira s kisikom iz atmosfere. Treća vrsta istraživanih materijala sastoji se od nanočestica strukturiranih od germanijeve jezgre i metalne ljuske. Varirala se debljina ljuske te tip metala, a otkrivene su zanimljive zakonitosti za strukturna i optička svojstva. Prvo, samo jedan atomski sloj metala štiti germanij od oksidacije. Drugo, metali općenito povećavaju optičku apsorpciju za red veličine. Treće, vrsta metala u ljusci te njena debljina drastično utječu na izgled krivulje ovisnosti apsorpcije o valnoj duljini na dva načina. Germanijev apsorpcijski vrh na oko 4 eV može mijenjati poziciju zahvaljujući kvantnom zatočenju te intenzitet zahvaljujući pojačanom električnom polju u jezgri uzrokovanom lokaliziranim plazmonima u ljusci. S druge strane, infracrvena apsorpcija može se uvelike pojačati za dovoljno velike ljuske jer se tada one počnu preklapati čime se dozvoljavaju delokalizirana plazmonska stanja. Primjena u fotovoltaičnim uređajima zahtjeva poželjna optička svojstva, prvenstveno visoku apsorpciju, a vidjeti ćemo da su istraživani uzorci značajno poboljšanje u odnosu na jednostavnije, već istražene, varijante s običnim germanijevim nanočesticama. Također, trebamo razumjeti i mehanizme vodljivosti što je također istraženo. Konačno, s obzirom na potencijalnu primjenu spominjanih materijala u fotovoltaičnim uređajima mjerila se i kvantna efikasnost pripravljenih uzoraka. |
| Abstract (english) | Different nanostructures, including nanowires, particles, tubes, rods etc. have been intensively studied primarily due to unique properties caused by lowered dimensionality and quantum effects, as well as important applications in nanotechnology. Such nanostructures, embedded in different matrices, can be understood as artificial solids with their properties defined by properties of nanostructural unit, similarly as by atomic configuration of materials. Control of structure and size of the basic nano-units allows us to design properties of materials built by these units (nanomaterials), due to the quantum confinement effect. This effect is mostly felt by delocalized electrons for which, in a macroscopic material, the approximation of infinite periodic potential is valid. That means that in the environment filled by e.g. 1023 atoms, an electron doesn't „see“ the edge of the material but it can move freely in any direction. On the other hand, if an isolated unit of the material is reduced to microscopic size, the electron's environment is drastically reduced and it „notices“ the lack of atoms outside the edge of the nano-object. This means that the approximation of infinite periodic potential is no longer valid and with it most of literature values for material properties. Since the electron is now confined at a microscopic scale, it is no longer delocalized. Recent research has shown a possibility of producing an especially interesting nanostructured material made of spatially ordered 3D networks of Ge nanowires in Al2O3 (alumina) matrix. Although semiconductor and metal networks have already been produced by different techniques, the process of production, possibilities of structure variations as well as its optical and electrical properties required additional research. The first part of this dissertation contains results of novel research carried out to deepen the understanding of these materials. An additional interesting option is the possibility of adding metal during the growth of the nanowires that changes the material properties. More precisely, the possibility of doping the nanowires with aluminium has been explored. The original cause for preparing these materials was protecting the pure Ge from oxidation by the oxygen from the matrix, but also a relevant increase in the order quality of the networks was observed. This is due to the reaction of aluminium with oxygen from the atmosphere. Third type of researched materials is made of nanoparticles with germanium core and metal shell. The thickness of the shell and the type of metal were varied, and interesting consequentialities of structural to optical properties were noticed. Firstly, just a few atomic layers of metal protects the germanium from oxidation. Secondly, the addition of metal in general enhances optical absorption by an order of magnitude. Thirdly, the type of metal in the shell as well as its thickness drastically influence the shape of the curve depicting absorption dependence on incident wavelength, in two ways. Germanium absorption peak at around 4 eV can change it's position due to quantum confinement and change it's intensity due to enhanced electric field in the core caused by localized plasmons in the shell. On the other hand, infrared absorption can be greatly enhanced for shells large enough because they start to overlap and allow delocalized plasmon states. Application in photovoltaic devices requires desirable optical properties, primarily high absorption, and it is shown in this thesis that the researched samples are a significant improvement compared to simpler, already studied, materials with basic germanium nanoparticles. Also, we need to understand the conduction mechanisms which have also been investigated. Finally, because of potential application of researched materials in photovoltaic, quantum efficiency was also measured. |
