DyNano und CeNaD - Center for Nanoscale Dynamics
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DyNano und CeNaD - Center for Nanoscale Dynamics
Das „Center for Nanoscale Dynamics (CeNaD)“ bündelt die Aktivitäten auf dem Gebiet der Nano- und Energieforschung an der Fakultät V- Mathematik und Naturwissenschaften der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Der Forschungsschwerpunkt liegt hierbei auf der Entwicklung von neuartigen experimentellen Methoden zur Untersuchung von Quantendynamiken in nanoskaligen Festkörpern sowie in Molekülen und Molekülaggregaten. Mit diesen Arbeiten möchten wir zu einem detaillierten Verständnis von dynamischen Prozessen in Nanostrukturen gelangen und neue Wege zur Kontrolle von Energietransport auf kleinen Längenskalen eröffnen.
Als gemeinschaftliche Plattform hat CeNaD zum Ziel:
- die in den einzelnen Arbeitsgruppen vorhandenen wissenschaftlichen Expertisen und Forschungstechniken zusammenzuführen, um gruppenübergreifend größere und komplexere Forschungsfragen adressieren zu können.
- den Wissensaustausch zwischen den Gruppen zu fördern und neue Kooperationen zu initiieren.
- fächerübergreifend wissenschaftliche Forschungskompetenz zu verknüpfen und neue, interdisziplinäre Netzwerke zu bilden.
- wissenschaftliche Infrastruktur zu bündeln und effektiv und nachhaltig finanzierbar zu nutzen.
Kick-off Treffen des Verbundprojekts DyNano!
Am Institut für Physik sind die folgenden Arbeitsgruppen und Nachwuchsgruppen am CeNaD beteiligt:
| PD Dr. Svend-Age Biehs | Theoretische Nano-Optik | Institut für Physik |
| Prof. Dr. Caterina Cocchi | Theoretische Festkörperphysik | Institut für Physik |
| Institut für Physik | ||
| Prof. Dr. Christoph Lienau | Ultraschnelle Nanooptik | Institut für Physik |
| Rastersondenspektroskopie | Institut für Physik | |
| Prof. Dr. Ilia A. Solov’yov | Quantenbiologie und Computerphysik | Institut für Physik |
| Prof. Dr. Christian Schneider | Quantenmaterialien | Institut für Physik |
| Dr. Jan Vogelsang | Attosekunden-Nano-Optik | Institut für Physik |
| Prof. Dr. Michael Wark | Photokatalyse und Ladungsträgerdynamik | Institut für Chemie |
| Prof. Dr. Gunther Wittstock | Elektrochemie und Grenzflächen kondensierter Systeme | Institut für Chemie |
| Institut für Physik |
Projekte
A1. Kohärente Licht-Materie Kopplung und ultraschnelle Dynamik von Exziton-Polaritonen in atomar dünnen Schichten
Schneider, Lienau
Das Projekt A1 adressiert die zentrale Frage, auf welchen räumlichen und zeitlichen Skalen sich Kohärenz in stark gekoppelten Licht-Materie-Systemen aufbaut, und wie diese den Energietransfer beeinflusst. Atomar dünne TMDCs gehören zu einer der interessantesten Materialklassen in der modernen Photonik: Exzitonen in TMDC-Einzellagen haben eine riesige Oszillatorstärke, sowie außerordentlich interessante topologische Eigenschaften, woraus mannigfaltige Perspektiven sowohl auf dem Gebiet der kohärenten Licht-Materie-Kopplung als auch des Energie- und Ladungsträgertransports entstehen.
Wir untersuchen daher die Ausbildung, Kohärenz und Dynamik von Polaritonen im Regime der starken Licht-Materie-Wechselwirkung zwischen Exzitonen in einer TMDC Einzellage und der optischen Resonanz einer Mikrokavität hoher Güte. Hier wird eine kürzlich entwickelte transportable offene Kavität eingesetzt (Abb. 9). Komplementär betrachten wir die Koppelung der Exzitonen an plasmonische Gitter mit ultrakleinen Modenvolumina, die mittels fokussierter Ionenstrahllithografie aus einkristallinen Goldflocken hergestellt werden.
Durch die starke Kopplung an das Lichtfeld breiten sich neue Quasiteilchen - Exziton-Polaritonen - über viele μm in TMDC-Strukturen aus (87). Diese Ausbreitung kann ballistisch oder diffusiv erfolgen. Zunächst wird die räumliche Ausbreitung der Polaritonen bei unterschiedli-chen Quasiteilchendichten, Temperaturen und jenseits der Schwelle zur Polariton-Kondensation untersucht (12), wobei ortsaufgelöste Interferometrie zur Ermittlung der Kohärenzeigenschaften im kondensierten Regime eingesetzt wird. Die kohärente Dynamik des Systems wird mittels 2DES (16) analysiert werden. Dies ist relevant, da sich im Regime der starken Licht-Materie-Kopplung kohärente Rabi-Oszillationen auf der fs-Skala ausprägen, welche bisher in TMDC-Mikrokavitäten nicht beobachtet werden konnten. Der Einsatz von 2DES an stark gekoppelten TMDC-Resonatorstrukturen wird wichtige Einblicke bieten, wie sich der Einfluss der besonderen Valley-Topologie sowie der Nichtlinearität der Exzitonen in TMDC-Schichten auf der Zeitskala der kohärenten Rabi-Oszillationen manifestiert und wie er starke Kopplung und Verschränkung zwischen Exzitonen und Photonen/Plasmonen beeinflusst.
B1. Kontrolle der ultraschnellen Dynamik durch konische Durchschneidungen mittels Super-kontinuum-Polarisationsformung
De Sio, Wollenhaupt
Ziel dieses Projektes ist es, ein neues Konzept für nanoskaligen Energietransport in organischen Donor-Akzeptor-Materialien zu erforschen. Mittels 2DES (15, 16, 55) konnten wir vor kurzem erstmals beobachten (16), dass intermolekulare konische Durchschneidungen (CoIns) die lichtinduzierte, sub-50 fs Energierelaxation in organischen Aggregaten bestimmen, die als photoaktives Material von Oligomer-Solarzellen eingesetzt werden (Abb. 11). Solche Kreuzungstopologien sind aus den Potentialflächen von Molekülen wohl bekannt, wurden aber in Aggregaten bisher noch nicht beobachtet. Ihre Entdeckung eröffnet interessante neue Möglichkeiten zur Kontrolle des Energie- und Ladungstransports in organischen Halbleitern, speziell durch Kopplung der Materialien an externe dielektrische oder plasmonische Mikrokavitäten. Dieses verspricht eine lichtinduzierte Manipulation der Potentialfläche und damit des Ladungsträgertransports.
Eine besondere, experimentell aber bisher nicht direkt nachgewiesene Signatur intermolekularer CoIns ist die geometrische (Berry-)Phase, die die Elektronen bei dem Durchtritt durch die konische Durchschneidung aufsammeln. Ihr Nachweis ist ein wichtiges Ziel von B1. Hierzu verknüpfen wir in dem neuen Attosekunden-Labor die Expertisen der PIs in 2DES, Polarisationsformung ultrakurzer Lichtimpulse (89) und Photoelektronentomographie (34, 35).
Durch maßgeschneiderte, polarisationsgeformte Anregungslichtfelder können wir Richtung und Geschwindigkeit bestimmen, mit der das optisch erzeugte Wellenpaket auf die CoIn zuläuft. Während 2DES die Dynamik auf optisch hellen Potentialflächen probt, bietet die Photoelektronenspektroskopie auch Zugang zu optischen Dunkelzuständen. Die Kombination der Methoden verspricht daher eine vollständigere Charakterisierung der Dynamik und, durch Polarisationskontrolle, Zugang zur geometrischen Phase. Die Kopplung der organischen Materialien an Mikrokavitäten stellt einen neuen Ansatz zur Manipulation dieser Dynamik dar. Wir erwarten, dass unsere Studien zur Entwicklung zukünftiger organischer optoelektronischer Bauelemente mit maßgeschneidertem nanoskaligem Energietransport beitragen werden.
(1) A. De Sio et al, Nature Nanotechnology 16, 63-68 (2021)
(2) X.T. Nguyen et al, The Journal of Physical Chemistry Letters 10, 5414-5421 (2019)
(3) A. De Sio, C. Lienau, Physical Chemistry Chemical Physics 19, 18813-18830 (2017)
(4) A. De Sio et al., Nature Communications 7, 13742 (2016)
(5) S. Kerbstadt et al, Optics Express 25, 12518 (2017)
(6) D. Pengel et al., Physical Review Letters 118, 053003 (2017)
(7) S. Kerbstadt et al, Nature Communications 10, 658 (2019)
(8) K. Eickhoff et al., Physical Review A 104, 052805 (2021) (Editor’s Suggestion)
B2. Untersuchung photokatalytischer Elementarprozesse auf der Nanoskala an Kupfervanadat-Modellsystemen
Prof. Dr. Niklas Nilius, Prof. Dr. Michael Wark
Die Photokatalyse gewinnt als Methode zur nachhaltigen Produktion chemischer Grundstoffe und grüner Energie zunehmend an Bedeutung. Trotz gut untersuchter photoaktiver Materialien sind grundlegende Wirkmechanismen noch nicht auf atomarem Niveau verstanden. Besonders der Einfluss lokaler struktureller und stöchiometrischer Inhomogenitäten, wie Korn- und Phasengrenzen, auf Trennung, Diffusion und Lebensdauer von Ladungsträgern ist bisher nur ansatzweise geklärt (90, 91). Die notwendigen Experimente werden durch die große strukturelle und elektronische Komplexität photoaktiver Materialien erschwert, die hochauflösenden mikroskopischen und spektroskopischen Methoden häufig nicht zugänglich sind.
Dieses ‚structure gap‘ soll durch eine Kombination physikalischer und chemischer Messmethoden überwunden werden. Dazu werden zwei Modellsysteme präpariert: (i) hochgeordnete V-dotierte Kupferoxidschichten (92, 93) und (ii) Kupfervanadat-Pulverproben mit kontrollierter Phasenzusammensetzung, synthetisiert durch hydrothermale und Sol-Gel Ansätze. Die atomare Struktur der Oxidschichten lässt sich durch Elektronenbeugung und STM vermessen, für die Strukturaufklärung der Pulver stehen Röntgenbeugung und TEM zur Verfügung. Die chemische und optische Identität beider Proben wird durch XPS und Festkörper-NMR, sowie UV-VIS, Absorptions- und Lumineszenz-Messungen ermittelt und aufeinander abgestimmt. Wäh-rend die Photoaktivität der Pulverproben, z. B. für die Wasserspaltung, makroskopisch vermessen und mit der Probenmorphologie korreliert werden kann, wird die lokale Reaktivität der Modelloxide mit Hilfe ladungssensitiver Moleküle bestimmt. Dazu werden elektron- (W3O9) oder lochaffine (Methylviologen) Moleküle auf die Oberfläche aufgebracht und optisch aktiviert. Molekulare Konformationsänderungen, verursacht durch photogetriebenen CT, lassen sich daraufhin ortsaufgelöst im STM nachweisen. Mit Hilfe der Lumineszenz-Spektroskopie im STM können lokale Unterschiede in der optischen Aktivität mit der Reaktivität der Oberfläche korreliert werden (Abb. 12), um z. B. die Rolle von Phasengrenzen und exzitonischen Fallen auf den CT zu evaluieren. Von einer konsequenten Anwendung der Messmethoden auf vergleichbare Modellsysteme wird eine substanzielle Verkleinerung des ‚structure gaps‘ im Projekt erwartet.
B3. Atomare Modellierung des ultraschnellen Ladungstransfers in Donor-Akzeptor-Komplexen in unterschiedlichen Umgebungen
Cocchi, Solov’yov
In diesem Projekt wird der ultraschnelle CT in laserangeregten organischen DA-Komplexen untersucht, die mit verschiedenen Umgebungen interagieren, wie z.B. flüssigen Lösungen, elektromagnetischen (EM) Kavitäten, abschirmenden Substraten und plasmonischen Nanostrukturen. Unser Ziel ist es, die grundlegenden CT-Mechanismen auf der Femto- bis Nanosekundenskala aufzudecken (Abb. 13), und zu verstehen, wie diese Prozesse durch die Wechselwirkung mit ihrer Umgebung beeinflusst werden. Es werden atomistische Simulationen eingesetzt, die eine quantenmechanische Behandlung des photoaktiven Systems und eine klassische Beschreibung der Umgebung sowie des einfallenden zeitabhängigen EM-Feldes kombinieren. Zur Beschreibung der CT-Dynamik im sub-ps-Zeitfenster wird zeitabhängige TDDFT genutzt, gekoppelt mit dem Ehrenfest-Schema zur Behandlung der Elektronen-Schwingungs-Kopplung und einem polarisierbaren Kontinuumsmodell (59, 60, 94).
Ergänzt wird dieser Ansatz durch quanten- und molekularmechanische Simulationen, in denen der CT-Prozess unter dem Einfluss der molekularen Umgebung mit Hilfe der Quantenmechanik mechanistisch beschrieben wird (61, 95). Das Projekt wird die gleichen DA-Moleküle (und später Aggregate) betrachten, die in B1 experimentell untersucht werden und wird helfen, die Experimente in C2 zu interpretieren.
B4. Theoretische Beschreibung von Energietransfer auf der Nanoskala
Solov’yov, Biehs, Cocchi
Durch die Wechselwirkung mit einer plasmonischen Umgebung können Verschränkung und langreichweitiger Energietransfer und Nahfeld-Wärmübertrag (RHT) zwischen zwei Nanopartikeln verstärkt und die Prozesse gegenüber isolierten Strukturen stark beschleunigt werden (96-98). Die relevanten Zeitskalen reichen von fs-ns und die Längenskalen von nm bis μm. Durch Kombination der numerischen Methoden (DFT und molekulare Dynamik (MD)) und der semi-analytischen Green’s-Funktionen-Methoden (GFM) der PIs soll das Projekt eine neue Stufe des Verständnisses von Energietransfer durch Nahfeldwechselwirkungen erreichen. Im Zentrum steht der ultraschnelle Wärmetransport zwischen zwei Nanopartikeln (Abb. 14) im extremen Nahfeld-Regime (64), in dem das Phonontunneln dominiert (99, 100). Dieses hoch-aktuelle und kontrovers diskutierte Thema stellt ein hervorragendes Testfeld dar, um unsere Methoden zu vergleichen und erste Schritte auf dem Weg zu einer atomistischen Modellierung von STM und SNOM-Experimenten zu machen (101).
Zur Analyse des ultraschnellen RHT zwischen zwei Nanopartikeln werden zwei SiO2-Nanopartikel mit kombiniertem MD und GFM-Ansatz modelliert. Dieses ermöglicht, den Übergang von Photon- zu Phonontunneln-dominiertem RHT zu studieren (99, 100). Auf der Basis von DFT-Rechnungen werden optimale Materialien gesucht, um starkes und langreichweitiges Phonontunneln zu beobachten. MD- und GFM-Ansätze werden genutzt, um die zugrundeliegende ultraschnelle Dynamik des Wärmeflusses und seiner Schwankungen beim Übergang von der Makro- auf die Mikroskala aufzuklären. (98, 102). Dieses schließt auch die Dynamik der Wärmeausdehnung mit ein, wie sie in C1 auftritt. Die Kopplung der mikroskopischen Systeme an eine plasmonische Umgebung wird durch eine Kombination von MD/DFT und GFM untersuchet. Wir planen speziell, den RHT zwischen Partikeln und die photonische Zustandsdichte eines Nanopartikels, eines Moleküls oder einer Monolagenstruktur in der Nähe eines Substrats zu modellieren.
C1. STM/SNOM Hybrid Microscope for a Simultaneous Detection of the Electronic and Optical Density of States in Nanostructures
Nilius, Lienau
Aim of the project is the combination of two main concepts in experimental nano-optics that is electron-induced luminescence spectroscopy in a scanning tunneling microscope (LSTM) and resonant nearfield scattering spectroscopy (s-SNOM). The new hybrid microscope thus opens various experimental pathways to explore many-particle phenomena at the nanoscale. The s-SNOM technique is based on a broadband spectral excitation of nano-objects, followed by an amplitude and phase analysis of the resonantly scattered light in the far-field. The LSTM technique, on the other hand, exploits the controlled occupation of electronic states by electron tunneling from the STM tip and probes their radiative decay via far-field photon detection. Both approaches deliver complementary information on the optical and electronic properties of surfaces. While the LSTM probes single-particle excitations in the electronic density of states, the s-SNOM addresses plasmonic and excitonic modes, i.e., many-particle interactions in presence of Coulomb- and correlation effects. From comparing measurements conducted on the same nano-object, fascinating, new insights into many-particle interactions at the nanoscale are expected.
Goal of the project is the construction of a low-temperature scanning probe microscope with several optical input and output channels. Several operation modes can be realized with the new setup, for example topographic imaging at the atomic level, elastic tunneling spectroscopy, electron-induced luminescence and interferometric scattering spectroscopy as well as Raman spectroscopy in the tip-sample contact. Initially, the instrument will be employed to probe the exciton response of transition metal dichalcogenides (TMDCs), putting emphasis on the role of their chemical identity, defect landscape and stacking sequence. From the experiments, new insights into the fundamental interplay of morphology, excitonic properties and spatial-temporal carrier transport at the nanoscale are expected.
C3. Attosekunden-Streaking in optischen Nahfeldern
Vogelsang, Wollenhaupt
Die Anregung von Volumenhalbleitern wie Silizium oder Zinkoxid mit starken Lichtfeldern führt innerhalb weniger Femtosekunden zu einer transienten Metallisierung des Materials (109, 110). Trotz der Bedeutung dieses Prozesses für eine zukünftige lichtgetriebene Elektronik ist er bisher nicht für anwendungsrelevante Nanostrukturen untersucht worden. Nur durch Nanostrukturierung des Materials kann es gelingen, die für den Schaltprozess notwendigen Photonenzahlen hinreichend gering zu halten und Wärmeverluste zu minimieren. Ziel dieses Projektes ist es, starke, transiente optische Felder in der Umgebung von Nanostrukturen direkt sichtbar zu machen und so diesen Metallisierungsprozess unmittelbar zu verfolgen. Hierzu werden Photo-elektronen aus inneren Schalen durch Attosekunden-XUV-Impulse emittiert und dann im optischen Nahfeld der Nanostruktur beschleunigt. Dabei wird in einem VIS-Anrege-XUV-Abtast-Experiment das optische Nahfeld mit einem zeitverzögerten sichtbaren Impuls erzeugt (Abb. 17). Die Photoelektronenspektren erlauben eine direkte Analyse der Zeitdynamik des optischen Nahfelds (111) und des Metallisierungsprozesses.
Damit soll erstmalig der Einfluss nanoskopisch inhomogener Feldverteilungen auf optisch angeregte Bandstrukturveränderungen in Verbindung mit lokalen Transportprozessen aufgeklärt werden. Das Projekt verknüpft die Expertisen von M. Wollenhaupt in der Impulsformung von oktav-breiten Wenig-Zyklen-Impulsen (112), XUV-Erzeugung und (VMI)-Photoelektronen-spektroskopie (35) und von J. Vogelsang in Attosekunden-Spektroskopie (113) und zeitaufgelöster Elektronenspektroskopie einzelner Nanostrukturen (114). Eine Erweiterung des Aufbaus um ein Photoelektronen-Emissions-Mikroskop ist von J. Vogelsang beantragt worden.