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Zeitaufgelöste Spektroskopiemethoden zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleitern und Halbleiternanostrukturen

Photo by Prof. Martin Koch

In der Arbeitsgruppe Experimentelle Halbleiterphysik wird traditionell die Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleitern und Halbleiternanostrukturen studiert. Mittels gepulster Laserbestrahlung können elektronische Zustände, optische Übergänge und mit geeigneten Techniken auch zeitliche Dynamiken eines Halbleitersystems studiert werden. Dabei kommt eine Reihe von zeitaufgelösten Spektroskopiemethoden zum Einsatz, z. B. Anrege-Abfrageexperimente, Vierwellenmischen und zeitaufgelöste Lumineszenzmessungen.

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Source: Anne Schroll

 

Abb. 1: Photolumineszenzaufbau für zeitaufgelöste Spektroskopie.

  • Die untersuchten Materialsysteme umfassen binäre, ternäre und quaternäre III-V- und II-VI-Halbleiter sowie Halbleiterquantenfilme auf Basis dieser Materialien. Für die Experimente stehen verschiedene Femtosekundenlasersysteme und ein leistungsstarkes Verstärkersystem zur Erzeugung hoher Feldstärken und diverse Analysesysteme zur Verfügung. Lumineszenz kann mittels Streak-Kameras sowohl im sichtbaren Spektralbereich, als auch im nahen Infrarot- und im UV-Bereich zeitaufgelöst untersucht werden.
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Source: Christian Lammers

Abb. 2: Zeitaufgelöstes Spektrum der differentiellen Absorption aus einem Anrege-Abfrage Expriment.
Die Auftragung verdeutlicht
Ladungsträgerdynamiken im Halbleitersystem.

  • Seit vielen Jahren besteht eine sehr erfolgreiche Zusammenarbeit mit den theoretischen Halbleiterphysikern am Fachbereich, welche durchgeführte Experimente simulieren oder neue Experimente anregen. Dies ermöglicht eine erfolgreiche Zusammenführung theoretischer Modelle mit Experimenten an realen Halbleitersystemen, sowie ein vertiefendes Verständnis der Licht-Materie Wechselwirkungen in neuartigen Systemen.
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Source: Christian Lammers

Abb. 3: Schematischer Aufbau eines Messplatzes für die Ultrakurzzeitspektroskopie.

  • Bei vielen dieser Experimente werden zusätzlich starke Terahertz-Impulse auf die Proben eingestrahlt, um auch die  Wechselwirkung dieser hochfrequenten Wechselfelder mit Vielteilchen-Systemen zu studieren.

  • Kurze Beschreibungen zu einigen der geplanten Experimente finden sich im Bereich Abschlussarbeiten.

Über die Kurzzeitspektroskopie hinaus geht die zeitunabhängige Analyse der Fluoreszenz/Photolumineszenz, Absorption und Photoströme, welche grundlegende Einblicke in neue Proben und Materialsysteme bietet. Diese essentiellen Techniken sind ebenfalls Gegenstand der Forschungsaktivitäten.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/2013b/0524a) der „Deutschen Forschungsgemeinschaft“ (DFG) untersuchen wir die Bildungs- und Zerfallsdynamik von sogenannten Grenzflächenexzitonen, also von gebundenen Elektron-Loch-Paaren, die an inneren Grenzflächen entstehen. In  Solarzellen stellen solche Grenzflächenzustände einen wichtigen Schritt zur Ladungstrennung dar, bevor die Ladungsträger schließlich zu den Kontakten fließen und mittels der Solarzelle ein Energieverbraucher betrieben werden kann.
 
Innere Grenzflächen sind eigentlich in allen elektrischen und optoelektronischen Bauelementen, also z.B. in Batterien, Akkus, Halbleiterlasern, Halbleiterdioden und -transistoren und den oben erwähnten Solarzellen.  Und immer müssen Ladungsträger durch die Grenzfläche fließen, damit das Bauelement arbeiten kann.

Die große Frage, die wir aktuell im Rahmen des SFBs beantworten wollen, ist, wie sich die Morphologie der Grenzfläche auf den Ladungsträgertransport auswirkt. Also z.B. können Ladungsträger besser eine Grenzfläche durchdringen, wenn diese rau ist oder weniger abrupt?

Die gut definierten und charakterisierten Halbleiter-Proben für unsere Experimente bekommen wir vom WZMW auf den Lahnbergen.

Die oben erwähnten Grenzflächenexzitonen sollten besonders sensitiv auf die Morphologie der Grenzfläche reagieren und dienen somit als Modellsystem zur Beantwortung unserer Fragestellungen.

Literatur:

Dynamics of charge-transfer excitons in type-II semiconductor heterostructures
M. Stein, C. Lammers, P.-H. Richter, C. Fuchs, W. Stolz, M. Koch, O. Vänskä, M.J. Weseloh, M. Kira, and S. W. Koch
Phys. Rev. B 97, 125306 (2018)

Enhanced absorption by linewidth narrowing in optically excited type-II semiconductor heterostructures
M. Stein, C. Lammers, M. J. Drexler, C. Fuchs, W. Stolz, and M. Koch
Phys. Rev. Lett. 121, 017401 (2018)

Time-Resolved Charge-Transfer State Emission in Organic Solar Cells: Temperature and Blend Composition Dependences of Interfacial Traps
A. Arndt, M. Gerhard, A. Quintilla, I.A. Howard, M. Koch, U. Lemmer
J. Phys. Chem C. 119, 13516 (2015)

Temperature- and Energy-Dependent Separation of Charge-Transfer States in PTB7-Based Organic Solar Cells
M. Gerhard, A.P. Arndt, I.A. Howard, A. Rahimi-Iman, U. Lemmer and M. Koch
J. Phys. Chem C. 119, 28309 (2015)

Evidence for Anisotropic Electronic Coupling of Charge Transfer States in Weakly Interacting Organic Semiconductor Mixtures
V. Belova, P. Beyer, E. Meister, T. Linderl, M.-U. Halbich, M. Gerhard, Marina; S. Schmidt, T. Zechel,
T. Meisel, A. Generalov, A.S. Anselmo, R. Scholz, O. Konovalov, A. Gerlach, M. Koch, A. Hinderhofer, A. Opitz, W. Brutting, F. Schreiber
J. Am. Chem. Soc. 139, 8474 (2017)

Bei Interesse an spannenden Experimenten mit kurzen Pulsen, starken THz Feldern, interessanten Materialsystemen und Halbleiterstrukturen können Abschlussarbeiten auf diesem Themengebiet gerne besprochen werden.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Martin Koch