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30.08.2011

Auf die Richtung kommt es an!

Marburger Physiker erklären, wie sich Elektronen in Halbleitern verhalten

In der Halbleiterphysik gelten ab sofort neue Verkehrsregeln: Elektronen in Halbleitern lassen sich entlang ihrer Bewegungsrichtung nicht so leicht beschleunigen wie quer dazu. Das postulieren Marburger Physiker, die mit ihren theoretischen Werkzeugen verblüffende experimentelle Daten erklären können. Das Team um Professor Dr. Stephan W. Koch von der Philipps-Universität veröffentlicht seine Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“, die am 2. September erscheint.

Elektronen im Halbleiter haben eine im Vergleich zu freien Elektronen veränderte Masse. Diese sogenannte „effektive Masse“ resultiert aus der quantenmechanischen Wechselwirkung der Elektronen mit den Gitteratomen, die den Kristall aufbauen. Sie hängt von der Geschwindigkeit der Elektronen ab, genauer: vom Impuls. „Ein sich schnell bewegendes Elektron hat im Halbleiter eine andere Masse als ein langsameres“, erklärt Mitautor Koch. „Die effektive Masse kann sogar davon abhängig sein, in welche Richtung sich das Elektron durch den Halbleiter bewegt – wie ein Gegenstand, der schwerer ist, wenn er nach Norden fliegt, als wenn er sich nach Osten bewegt!“ Man spricht in diesem Fall von „Anisotropie“.

Die genaue Kenntnis der effektiven Masse für alle Geschwindigkeiten und Richtungen ist essentiell für das Verständnis der elektronischen und optischen Eigenschaften von Halbleitern. Die aktuelle Veröffentlichung fußt auf einer erstaunlichen Entdeckung kanadischer Physiker: Das Team um Professor Dr. Frank Hegmann von der University of Alberta hatte sich ein besonders raffiniertes Experiment ausgedacht, um die Richtungsabhängigkeit der effektiven Masse für verschiedene Geschwindigkeiten direkt zu beobachten. Sie bedienten sich hierzu der Terahertz (THz)-Strahlung, einer unsichtbaren elektromagnetischen Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen Infrarot- und Mikrowellen-Strahlung. Herzstück des kanadischen Versuchs sind zwei aufeinanderfolgende THz-Pulse, deren Polarisationen (die Richtungen der zugehörigen elektrischen Felder) relativ zueinander gedreht werden können. Ein erster starker Puls, der sogenannte Pump-Puls, beschleunigt die Elektronen im Halbleiter auf eine gewisse Geschwindigkeit. Der zweite, schwächere Abfrage-Puls kann nun die Masse der zuvor beschleunigten Elektronen messen. Dabei macht man sich einen alltäglichen Effekt zunutze: leichte Gegenstände lassen sich aufgrund der geringeren Trägheit leichter bewegen als schwere. Ebenso reagieren leichte Elektronen stärker als schwere auf das THz-Feld. Misst man nun das Feld des durch den Halbleiter hindurch gelaufenen Abfrage-Pulses, so lassen sich Rückschlüsse auf die Masse der Elektronen ziehen. „Der eigentliche Clou an diesem Experiment ist jedoch, dass es eine richtungsabhängige Messung der Massen erlaubt, da die Polarisationen von Pump- und Abfrage-Puls gegeneinander gedreht werden können“, erläutert Mitautor Daniel Golde.

Die kanadischen Wissenschaftler machten die unerwartete Beobachtung, dass die Masse der sich bewegenden Elektronen in Bewegungsrichtung größer ist als senkrecht dazu. Mit anderen Worten, es ist leichter, die Elektronen seitlich abzulenken als sie noch weiter in Bewegungsrichtung zu beschleunigen oder abzubremsen.

Koch sowie seine Marburger Kollegen  Professor Dr. Mackillo Kira und Dr. Daniel Golde konnten mit ihrer Theorie eindeutig nachweisen, dass die gemessenen Ergebnisse sich auf eine bisher noch nicht beobachtete Art der Anisotropie zurückführen lassen, die nur dann auftritt, wenn die Elektronen zuvor beschleunigt wurden (wie in diesem Fall durch die Terahertzbestrahlung). Wie die Forscher weiter zeigen konnten, ist dieser Effekt die Folge einer allgemeinen geometrischen Eigenschaft des Elektronensystems;  es tritt somit in nahezu allen Halbleitern auf, selbst in vollkommen isotropen, also symmetrischen Materialien. Die Ergebnisse werden am 31. August 2011 vorab in der Online-Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht.

Originalveröffentlichung: F. Blanchard & al.: Effective mass anisotropy of hot electrons in nonparabolic conduction bands, Phys. Rev. Letters, 2. September 2011 (Online 31. August 2011)

 


Kontakt

Prof. Dr. Stephan W. Koch
Fachgebiet Theoretische Halbleiterphysik
Tel.: 06421/282 1336
E-Mail

Zuletzt aktualisiert: 01.09.2011 · Schmid Renate, Physik, 21337

 
 
 
Fb. 13 - Physik

AG Theoretische Halbleiterphysik - Sekretariat: R. Schmid, Renthof 5, D-35032 Marburg
Tel. +49 6421-28-21337, Fax +49 6421-28-27076, E-Mail: renate.schmid@physik.uni-marburg.de

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