Mit Strukturgrößen von nur wenigen Nanometern stellen neuartige optoelektronische Komponenten die Messtechnik zu ihrer Untersuchung vor nicht immer einfach zu lösende Aufgaben. Konkret sah sich das Nanooptik Team des Physikinstituts vor der Herausforderung, den durch Licht generierten Ladungsstrom durch halbleitende Nanopartikel, sogenannte Quantendots zu messen. Dabei sollte einerseits der Fotostrom möglichst weniger, idealerweise einzelner Quantendots untersucht werden. Andererseits sollte deren gleichzeitige mikroskopische Abbildung eine eindeutige Zuordnung des Stromflusses zur Anordnung der Quantendots ermöglichen.
Die Lösung fand sich im Rasterkraft-Mikroskop, welches über die Kraftwirkung einer nanoskopischen Spitze aus Silizium mit einer Probenoberfläche diese mikroskopisch abbildet. Versieht man die Spitze mit einem feinen metallischen Überzug, können dabei auch Ströme gemessen werden. Zusammen mit hochempfindlichen Verstärkern (zur Messung von Strömen bis in den Femtoampere-Bereich) und der für die Anregung mit Licht nötigen Optik war die geeignete Messtechnik gefunden.
Untersucht wurden Bleisulfid-Nanopartikel mit einem Durchmesser von 3,2 Nanometern, ummantelt mit einer ein Nanometer dicken Perowskit-Schicht. Diese vom Projektpartner an der ETH Zürich synthetisierten Quantendots liefern effiziente Fotoströme, was sie zu vielversprechenden Komponenten für innovative Photovoltaik- und Sensorkonzepte macht. Tatsächlich konnte Messungen auf verschiedenen Substraten mit einer Auflösung von 1-3 Quantendots durchgeführt werden. Dabei gelang es im Zusammenspiel mit rechnerischer Modellierung, die Eigenschaften der Proben wie energetische Barrierehöhen, Feldgradienten und Diffusionskonstanten mit bislang unerreichter Präzision zu quantifizieren.
Diese Ergebnisse ermöglichen die weitere Miniaturisierung und Optimierung Quantendot-basierter Optoelektronik. Sie etablieren aber auch das strommessende Rasterkraft-Mikroskop als quantitatives Tool und empfehlen es für weitere Anwendungen.
F. Küstner, H. Ditlbacher, A. Hohenau, D. N. Dirin, M. Kovalenko, J. R. Krenn, Quantitative photocurrent scanning probe microscopy on PbS quantum dot monolayers, Nanoscale (2024), https://doi.org/10.1039/D4NR02575J