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TU Berlin

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Kathodolumineszenz

In einer Kathodolumineszenz-Apparatur erfolgt die Anregung der zu untersuchenden Struktur durch den Elektronenstrahl eines Rasterelektronenmikroskops. Die emittierte Lumineszenz wird analog zu einer Photolumineszenz-Apparatur spektral zerlegt und detektiert. Durch schnelles Unterbrechen des Elektronenstrahls mittels einer „Beam-Blanking“ Vorrichtung sind zeitaufgelöste Messungen möglich.

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Eckdaten

 

  • Messverfahren: Lokale Spektren, spektral und

    ortsaufgelöste Bilder (beides auch zeitaufgelöst)

  • Räumliches Auflösungsvermögen: 25 nm bis

    einige 100 nm je nach Beschleunigungsspannung und Diffusionslänge der

    Ladungsträger

  • Zeitliches Auflösungsvermögen: bis 35 ps
  • Probentemperatur: 6 – 300 K
  • Anregungsenergie: e x Beschleunigungsspannung (3 kV – 40 kV)

Beispiele für die Spektroskopie an Quantenpunkten

Spektral- und ortsaufgelöste Lumineszenzbilder

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Für spektral- und ortsaufgelöste Bilder scannt der Elektronenstrahl PC-gesteuert über die Probe und an jedem Scan-Punkt wird ein komplettes Spektrum aufgenommen. Die linke Seite des Bildes zeigt die Intensitätsverteilung des Scan-Bereichs bei einer Lumineszenzenergie von 1.3263 eV und die rechte Seite zeigt das Spektrum im Bereich des hell leuchtenden Quantenpunktes im linken Bild. Die verschiedenen Emissionslinien entstammen der Rekombination eines Exzitons (X), eines Biexzitons (XX) sowie von positiv geladenen exzitonischen Komplexen. Probe: InAs/GaAs Quantenpunkte. (! Die Abmessungen des hellen Bereichs entsprechen nicht der Größe des dort befindlichen Quantenpunktes sondern der Ortsauflösung während dieser Messung !)

Verbesserung der Ortsauflösung durch den Einsatz von Schattenmasken

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Auch wenn der Durchmesser des fokussierten Elektronenstrahls nur wenige nm beträgt, liegt das örtliche Auflösungsvermögen (der Durchmesser des Anregungsvolumens) im Bereich einiger hundert nm (man betrachte nur die scheinbare Größe des Quantenpunktes im vorherigen Bild!). Zum einen unterliegen die hochenergetischen Primärelektronen räumlich verteilten Streuprozessen und zum anderen diffundieren generierte Elektronen und Löcher eine charakteristische Strecke bevor sie rekombinieren.

Eine Schattenmaske besteht aus einem für die jeweilige Wellenlänge opaken Film, der kleine Öffnungen enthält. Nun trägt nur noch der Raumbereich zum Lumineszenzsignal bei, der quasi direkt unterhalb der Öffnung liegt. Bei typischen Filmdicken von < 100 nm kann der Primärelektronenstrahl den Film nahezu ungestört durchdringen. Es wird somit nur die Detektion und nicht die Anregung beschränkt.

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Dieses Verfahren eignet sich zum Beispiel für die Untersuchung einzelner Quantenpunkte, wie folgendes Bild zeigt: Ohne Reduktion des Detektionsbereiches (rote Kurve) werden so viele Quantenpunkte gleichzeitig detektiert, dass sich die quasi-deltaförmigen Emissionslinien in Summe zu einer breiten Kurve überlagern. Unter Zuhilfenahme einer Schattenmaske (blaue Kurve) sind einzelne, spektral scharfe Emissionslinien zu erkennen und die Intensität fällt zwischen ihnen auf Null ab. Probe: CdSe/ZnSSe Quantenpunkte.

Ein alternatives Konzept zu Schattenmasken stellen Mesen dar. Hierbei wird die Probe durch vertikales Ätzen „großräumig“ abgetragen und nur eine säulenförmige Mesa bleibt stehen. Der sinnvolle Durchmesser einer Mesa hängt von der Flächendichte der Quantenpunkte ab und kann für Dichten von ~ 1010 cm-2 im Bereich von wenigen hundert nm liegen.

Spektrale Diffusion

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Nimmt man eine Zeitserie von Einzeldotspektren auf und stellt sie wie im folgenden dar (Intensität in Falschfarben), so ist, falls vorhanden, der Effekt der spektralen Diffusion deutlich zu erkennen: Die Energien und Intensitäten der einzelnen Emissionslinien sind nicht zeitlich konstant sondern variieren sichtlich.

Die Ursache liegt in einem stochastischen Umladeprozess von Defekten und Störstellen in der Nähe der Quantenpunkte, wodurch es im Bereich eines Quantenpunktes zu einem zeitveränderlichen elektrischen Feld kommt. Über den Quantum-Confined-Stark Effekt resultiert dies in einer zeitlichen Variation der Übergangsenergien und Intensitäten. Im Falle sehr großer Feldstärken kann die Lumineszenzlinie auch vollständig unterdrückt werden (quenchen). Da jeder Quantenpunkt aufgrund von anderen benachbarten Defekten einem anderen zeitveränderlichen elektrischen Feld ausgesetzt ist, zeigen seine Emissionslinien eine für diesen Quantenpunkt charakteristische spektrale Diffusion. Dies erlaubt die Identifikation von Einzeldotspektren. Im Bild sind zwei Einzeldotspekren zu sehen (Emissionslinien markiert duch gestrichelte bzw. durchgezogene Linien). Probe: InAs/GaAs Quantenpunkte.

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Zeitaufgelöste Messungen

Durch ein schnelles Abschalten des Primärelektronenstrahls mittels einer „Beam-Blanking“ Vorrichtung ist zeitaufgelöstes Messen möglich. Hierbei wird das zeitliche Abklingen der Lumineszenz untersucht. Die notwendige Zeitauflösung kann hierbei im ps-Bereich liegen. Die Abbildung links oben zeigt das An-/Abklingverhalten der Lumineszenz von CdSe/ZnSe Quantenpunkten. Der Elektronenstrahl wurde etwa bei 2.5 ns ein- und bei etwa 9 ns ausgeschaltet.

Die übrigen drei Bilder zeigen räumlich aufgelöst das Abklingverhalten verschiedener Quantenpunkte. Die dargestellten Zeitbereiche sind in der Transiente markiert. Deutlich ist zu erkennen, dass einige Quantenpunkte ein schnelles und ein langsames Abklingverhalten zeigen und andere nur das schnelle. Dies kann auf lateralen Ladungsträgertransfer (Fütterprozesse) zurückgeführt werden.

Ansprechpartner

  • Dr. Sven Rodt, Raum EW 542, Tel: (030) 314-22184

In Kooperation mit AG Reitzenstein.

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