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TU Berlin

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Nanophysik

Unter dem Begriff ‚Nanophysik’ verstehen wir die Physik mechanischer, elektrischer oder optischer Systeme deren Abmessungen im Nanometerbereich liegen. In der Arbeitsgruppe von Prof. Bimberg konzentrieren wir uns auf die elektro-optischen Eigenschaften epitaktisch hergestellter Halbleiternanostrukturen. Hierzu gehören Quanten-filme, -drähte und –punkte. Entsprechend den Namen sind diese Strukturen in ihrer Ausdehnung in einer, zwei bzw. drei Raumrichtungen auf einen Wert kleiner als die de Broglie Wellenlänge eingeschränkt und weisen bzgl. dieser Richtungen Energiequantisierungseffekte auf. Im folgen wird die Gruppe von Nanostrukturen näher vorgestellt, die derzeit den größten Stellenwert mit Hinblick auf optoelektronische Anwendungen und Grundlagenforschung besitzt, die Quantenpunkte (Abb. 1). Aufgrund der vollständigen Energiequantisierung (Abb. 2) (d.h. keine Bandstruktur mit E = f(k)) ähneln sie Atomen in einer dielektrischen Matrix.

Halbleiter-Quantenpunkte

Abb. 1: Drei gestapelte InAs (Halbleiter 1) Quantenpunkte in GaAs (Halbleiter 2) Matrix. Die Basislänge der Quantenpunkte beträgt ca. 20 nm (hochaufgelöste Querschnitts-Tunnelmikroskopieaufnahme).
Lupe

werden durch einen nanometer-großen Einschluss eines Hableiters 1 in einem anderen Halbleiter 2 mit größerer Bandlücke gebildet.

Ein entscheidender Punkt hierbei ist, dass die elektronischen und optischen Eigenschaften nun eine Funktion der Quantenpunktstruktur sind. So lassen sich durch geeignete Wahl der Größe, der Form und des Materials eines Quantenpunktes die Energieniveaus und der Überlapp von Elektron- und Lochwellenfunktionen einstellen – der perfekte Baukasten für optoelektronische Anwendungen.

Abb. 2: Darstellung eines Quantenpunktenergieschemas für z.B. InAs in GaAs.
Lupe

 

Praktische Anwendungen finden sich in der Kontrolle der Emissionswellenlänge der emittierten Photonen in Laserstrukturen, großen Lokalisationstiefen von z.B. Löchern für Speicher und der Optimierung des Elektron-Loch-Wellenfunktionsüberlapps für große Oszillatorstärken. Eine weitere, äußerst interessante und aktuelle Anwendung bilden Einzelphotonenemitter für die sichere Übertragung von kryptografischen Schlüsseln. Hier erlaubt der Einsatz von Quantenpunkten die Erzeugung von einzelnen linear polarisierten Photonen oder sogar von verschränkten Photonenpaaren bei optimaler Quantenausbeute und hoher Emissionsrate. 

Neben dem eben vorgestellten Typ-I Quantenpunkt, der einen Potentialtopf für Elektronen und Löcher darstellt, gibt es auch Typ-II Quantenpunkte, in denen nur einer der beiden Ladungsträgertypen lokalisiert ist. Ein Vertreter ist GaSb in GaAs. Hier werden nur Löcher im Quantenpunkt gebunden. Dies ist ein viel versprechendes System für Speicheranwendungen, da aufgrund der fehlenden Elektronen im Quantenpunkt keine e-h Rekombination stattfindet und so die Information (die Löcher) über einen langen Zeitraum gespeichert werden kann. 

Nanophysik Forschungsschwerpunkte in der AG Bimberg

  • Untersuchung von Halbleiter-Quantenpunkten mittels optischer und elektrischer Methoden
  • Einzeldotspektroskopie und Ensemblespektroskopie
  • Modellierung der optischen/elektronischen Eigenschaften von Halbleiter-Quantenpunkten


Optische Untersuchung an Quantenpunktensembles:

  • Methoden: PL, PLE
  • Materialsysteme: In(Ga)As/Ga(Al)As, InP/GaP, GaSb/Ga(Al)As, In(Ga)N/Ga(Al)N
  • Energieniveaus und Rekombinationskanäle
  • Abhängigkeit der elektronischen/optischen Eigenschaften von strukturellen Parametern
  • Lateraler Ladungsträgertransport und Umverteilungsprozesse
  • Rekombinationsdynamik
  • Wechselwirkung mit Phononen
  • Spektrales Lochbrennen und Spin-Speicherung

Optische Untersuchung an einzelnen Quantenpunkten:

  • Methoden: KL, µ-PL, µ-PLE, µ-EL (u. U. mit Hilfe von Mesen und Schattenmasken)
  • Materialsysteme: In(Ga)As/Ga(Al)As, InP/GaP, GaSb/Ga(Al)As, In(Ga)N/Ga(Al)N
  • Exzitonische Komplexe: Bindungsenergien, Austauschwechselwirkung, Polarisationsverhalten
  • Abhängigkeit der exzitonischen Komplexe von strukturellen Parametern
  • Optimierung für Anwendungen wie Einzelphotonenemitter
  • Korrelationsmessungen
  • µ-Kavitätsstrukturen
  • Phononwechselwirkung, Dephasierungsprozesse

Elektrische Untersuchung von Quantenpunktensembles:

  • Methoden: IV, CV, DLTS (elektrisch, optisch), Photostrom
  • Materialsysteme: In(Ga)As/Ga(Al)As, GaSb/Ga(Al)As
  • Speicher-Mechanismen, -Zeiten und -Konzepte
  • Transporteigenschaften
  • Ladungsträgereinfangs und –Emissionsprozesse
  • Temperatur- und Feldabhängige Effekte
  • Materialcharakterisierung (Dotierungsprofile, Ladungsträgerbeweglichkeiten)

Modellierung  der optischen und elektronischen Eigenschaften von einzelnen Quantenpunkten und Quantenpunkt-Ensemblen:

  • Methoden: 8-Band k.p Theorie, tight-binding Theorie, Hartree-Methode, Hartree-Fock-Methode, Konfigurations-Interaktions-Methode
  • Materialsysteme: In(Ga)As/Ga(Al)As, InP/GaP, In(Ga)N/Ga(Al)N, GaSb/GaAs, GaN/AlN
  • Einzelne und gekoppelte Quantenpunkte
  • Einteilchenenergieniveaus, exzitonische Komplexe, Oszillatorstärken, Polarisationsverhalten, Austauschwechselwirkung


Weiterführende Literatur:

  • Bimberg, D., Grundmann M., et al. (1999), Quantum dot heterostructures. Chichester, New York, John Wiley
  • Grundmann, M. (2002), Nano-optoelectronics : concepts, physics, and devices, Berlin, New York, Springer
  • Bimberg, D. (Ed.) (2008), Semiconductor Nanostructures, Springer

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