UV/Vis-Spekroskopie zur In-situ-Teilchengrößenanalyse

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Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Basierend auf Annahmen aus der Literatur hinsichtlich der Additivität der Einzelanteile unterschiedlicher Fraktionen [1, 2, 3], der Kenntnis grundlegender Materialeigenschaften wie der partikelgrößenabhängigen Bandlückenenergie [4] und dem Absorptionsverhalten des Bulkmaterials [5], wurde ein Algorithmus zur Invertierung gemessener QD-Absorptionsspektren in Partikelgrößenverteilungen entwickelt und am Modellsystem ZnO etabliert [6]. Dabei wird ein gemessenes Spektrum sukzessive in seine Einzelanteile zerlegt, wobei der auch immer zur Gesamtextinktion einer partikulären Probe beitragende Streuanteil vernachlässigbar sein muss. Dies ist bei Quantenpunkten aufgrund des extrem kleinen Partikeldurchmessers (üblicherweise < 10 nm, Rayleigh-Bereich) immer erfüllt, solange die Teilchen stabil gegenüber Agglomeration sind. Instabilität würde durch eine Trübung und damit durch eine messbare Extinktion bei großen Wellenlängen oberhalb der Bulkbandlücke detektiert.

Eine Validierung des Invertierungsergebnisses erfolgt über den Abgleich von berechneter und erwarteter Partikelgrößenverteilung wobei letztere über unabhängige Methoden wie z.B. der hochaufgelösten Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) oder der analytischen Ultrazentrifugation (AUZ) bestimmt wird. Des Weiteren dienen auch bimodale Verteilungen zur Validierung: Hierfür wurde beispielsweise für das Modellsystem ZnO, wie in Abbildung 2 dargestellt, eine Probe kleiner QDs (Peak bei ~ 320 nm) und eine Probe großer QDs (Peak bei ~ 340 nm) – beide mit bekanntem Absorptionsspektrum – im Verhältnis 1:1 vermischt. Der Abgleich der aus der bimodalen Absorbanz der Mischung errechneten Partikelgrößenverteilung mit der aus den Verteilungen der Einzelproben erwarteten bimodalen Partikelgrößenverteilung zeigt eine hervorragende Übereinstimmung und belegt die sehr gute Auflösung der Methode in einem Größenbereich von nur wenigen Nanometern.

Ermittlung von Materialeigenschaften

Die beschriebene Methode eignet sich allerdings nicht nur zur Berechnung von Partikelgrößenverteilungen aus Absorptionsspektren sondern auch zur Bestimmung von Materialeigenschaften. Dabei wird die partikelgrößenabhängige Bandlückenenergie gegen unabhängig bestimmte TEM-Daten kalibriert. Wie in Abbildung 3 zusammengefasst, werden zunächst die Absorbanz und die erwartete Partikelgrößenverteilung von mindestens zwei unterschiedlich großen QD-Proben erfasst. Anschließend wird innerhalb des Invertierungsalgorithmus eine Potenzfunktion zur Beschreibung der partikelgrößenabhängigen Bandlückenenergie mit drei Parametern a, b und c hinterlegt. Diese werden im Folgenden solange variiert, bis eine bestmögliche Übereinstimmung zwischen den berechneten und den erwarteten Partikelgrößenverteilungen vorliegt.

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