Spectroscopy of Advanced Semiconducting Nanostructures with the establishment of Single Particle characterization.

This thesis focuses on experimental work in the field of fundamental spectroscopy of advanced luminescent nanocrystals for optoelectronic applications, in the wider context of new materials for energy. First, I will describe the development of a powerful tool for the advanced analysis of such nanoparticles, namely Single Particle Spectroscopy (SPS). This technique has the potential to analyze optical properties at the single nanocrystal level to better understand the influence of the multitude of nano-differences that are lost in ensemble spectroscopy measurements; in fact, this information becomes increasingly relevant as synthetic strategies become more sophisticated and state-of-the-art. In addition, it is possible to study the antibunching process in a potential single-emitter source, a key element in the development of quantum technologies. This type of measurement has never been performed in our laboratory, so I started from scratch to design and put together the whole system. The experimental implementation of this set-up is quite complex for several reasons including the extremely low light intensity level, the criticality of the alignment below the diffraction limit and the time resolution requirements for correlation measurements. The first chapter will be devoted to the study of an effective design and optimization of an SPS set-up, going through the trials and errors that led to the final geometry. We were able to measure the optical properties of core-shell colloidal nanoplatelets at the single-particle level, obtaining peculiar results and demonstrating the effectiveness of the constructed set-up. Parallel to the construction of this set-up, my research work focused on the fundamental study of some nanostructures with novel designs to be measured prospectively with the SPS system. These new materials have been described in Chapter 2 and Chapter 3; in particular, Chapter 2 focuses on the cutting-edge progress of the already well-known lead halide perovskite nanocrystals, starting from the fabrication of extremely confined crystals to observe quantum confinement effects to the formation of heterostructures for tuning and enhancement of optical properties. Such heterostructures can also be used to produce thermodynamically inaccessible phases by exploiting direct epitaxial interaction between lattices. Finally, in Chapter 3, a new class of nanomaterials will be discussed, whose peculiarity is that they are free of Pb atoms and thus have low toxicity and environmental impact, but excellent optical properties as downshifters.

Questa tesi si concentra sul lavoro sperimentale nel campo della spettroscopia fondamentale di nanocristalli luminescenti avanzati per applicazioni optoelettroniche, nell'ambito dei materiali per l'energia. In primo luogo, descriverò lo sviluppo di uno strumento per l'analisi avanzata di tali nanoparticelle, ossia la Spettroscopia a Singola Particella (SPS) . Questa tecnica ha il potenziale di analizzare le proprietà ottiche a livello di singolo nanocristallo per comprendere meglio l'influenza della moltitudine di nanodifferenze che si perdono nelle misure di spettroscopia d'insieme; queste informazioni, infatti, diventano sempre più rilevanti man mano che le strategie sintetiche diventano sempre più sofisticate e all'avanguardia. Inoltre, è possibile studiare il processo di antibunching in una potenziale sorgente a singolo emettitore, elemento chiave per lo sviluppo di tecnologie quantistiche. Questo tipo di misura non è mai stato eseguito nel nostro laboratorio, quindi ho iniziato da zero a progettare e mettere insieme l'intero sistema. La realizzazione sperimentale di questo set-up è piuttosto complessa per diversi motivi tra cui il livello di intensità luminosa estremamente basso, la criticità dell'allineamento al di sotto del limite di diffrazione e dei requisiti di risoluzione temporale per le misure di correlazione. Il primo capitolo sarà dedicato allo studio di un progetto efficace e all'ottimizzazione di un set-up SPS, passando attraverso le prove e gli errori che hanno portato alla geometria finale. Siamo riusciti a misurare le proprietà ottiche di nanoplatelets colloidali core-shell a livello di singola particella, ottenendo risultati interessanti e dimostrando l'efficacia del set-up costruito. Parallelamente alla realizzazione di questo set-up, il mio lavoro di ricerca si è focalizzato sullo studio fondamentale di alcune nanostrutture dal design innovativo da studiare, in prospettiva, col sistema SPS. Questi nuovi materiali sono stati descritti nel capitolo 2 e nel capitolo 3; in particolare, il capitolo 2 si concentra sui progressi dei già noti nanocristalli di perovskiti di alogenuro di piombo, partendo dalla realizzazione di cristalli estremamente confinati per osservare gli effetti di confinamento quantico fino alla formazione di eterostrutture per la regolazione e il miglioramento delle proprietà ottiche. Tali eterostrutture possono essere sfruttate anche per produrre fasi termodinamicamente non accessibili, sfruttando l'interazione epitassiale diretta tra i reticoli. Infine, nel capitolo 3, verrà discussa una nuova classe di nanomateriali innovativi, privi di atomi di Pb e dunque a bassa tossicità e impatto ambientale, ma con ottime proprietà ottiche come downshifter