Dynamics of delocalized states in molecular systems studied by time-resolved THz spectroscopy

Abstract

Tato práce je zaměřena na studium vodivosti lokalizovaných nositelů náboje v různých nanokrystalických materiálech. Použitá experimentální metoda -- THz spektroskopie -- umožňuje měření vodivosti nositelů generovaných dotováním nebo optickou excitací. Při interpretaci naměřených dat bereme v úvahu důležité aspekty transportu náboje, související zejména s nehomogenitou vzorků na mikroskopické úrovni a s omezením pohybu nosičů v důsledku lokalizace. Těžiště práce tvoří studium nanokrystalického ZnO a CdS za použití experimentů a simulací v širokém rozsahu hustoty nosičů a teplot. V ZnO byla pozorována současně přítomnost nosičů s velikou pohyblivostí, hustého elektron-děrového plazmatu a excitonů. Ve vzorcích CdS naše studium odhaluje klíčovou roli klastrů nanokrystalů při lokalizaci náboje. Dynamika pohyblivosti elektronů poukazuje na význam kinetické energie elektronů a její relaxace pro transport náboje. Při teplotě 20 K a při nízké hustotě nosičů jsme poprvé pozorovali přechod mezi režimy lokalizovaných a zcela volných nositelů náboje.

This thesis is devoted to a study of the conductivity of confined charge carriers in various nanocrystalline materials. The experimental method -- THz spectroscopy -- involves measurements of the conductivity of carriers generated by doping or by optical excitation. In the theoretical interpretation of measured data we address important aspects of carrier transport, connected to the microscopic inhomogeneity of samples and the nanoscale confinement of carriers. We focus on the study of nanocrystalline ZnO and CdS using simulations and experiments in a wide range of carrier densities and for several temperatures. In ZnO, the interplay of highly mobile electron-hole gas, dense electron-hole plasma and population of excitons was observed. In CdS the investigation reveals the importance of clusters of nanocrystals in the electron confinement. The dynamics of the electron mobility at different carrier densities show the role of the kinetic energy of electrons and its relaxation in the carrier transport in nanostructured systems. At temperatures 20 K and at low carrier densities a crossover between localized transport and Drude-like free electron behaviour was observed for the first time.