Spin-Effekte von optisch erzeugten Ladungsträgern in Halbleitern

Die heutige Halbleiter-Elektronik und Opto-Elektronik basiert fast ausschließlich auf der Ausnutzung der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungen der Elektronen. Elektronen besitzen neben der Elementarladung aber auch noch den Spin als Teilchen-Eigenschaft. Der Elektronenspin...

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Hübner, Jens
Beteiligte: Rühle, Wolfgang Prof. Dr. (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2003
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Die heutige Halbleiter-Elektronik und Opto-Elektronik basiert fast ausschließlich auf der Ausnutzung der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Ladungen der Elektronen. Elektronen besitzen neben der Elementarladung aber auch noch den Spin als Teilchen-Eigenschaft. Der Elektronenspin als Eigen-Drehimpuls mit einer halbzahligen Quantenzahl hat kein klassisches Analogon. Er kann nur die beiden Zustände ? Spin-up? und ?Spin-down? annehmen. Fast 75 Jahre nach der Einführung des Elektronenspins durch Uhlenbeck und Goudsmith (1925) und seiner korrekten Beschreibung in der relativistischen Quantenmechanik im Jahre 1930 durch Dirac, hält diese Größe Einzug in die moderne Halbleiter- und Informationstechnologie. Auf der Basis von dünnen Metall-Schicht-Systemen sind bereits wichtige Entdeckungen auf dem Gebiet der ,,Magneto-Elektronik?, wie etwa des Riesenmagnetowiderstandes, zur Anwendung gekommen. Ebenso sind der spinabhängige Tunneleffekt, magnetisch steuerbare Widerstände, Magnetfeld-Sensoren und der ,,Magnetic Random Access Memory? Gegenstand der aktuellen Forschung. Alle diese Anwendungen nutzen die quantenmechanischen Eigenschaften des Spins aus, basieren jedoch ausschließlich auf Metallen. Eine Spin-Elektronik auf Halbleiterbasis hat dahingegen den Vorteil, dass sowohl die sehr gut entwickelte Halbleitertechnik der konventionellen Elektronik genutzt werden kann, als auch eine Verbindung mit der Opto-Elektronik möglich ist. Eine der Grundvoraussetzungen für das Betreiben einer Spin-Elektronik (?Spintronik?) in Halbleitern ist die Bereitstellung und Kontrolle von spinpolarisierten Elektronen. Durch die kohärente Kontrolle von zwei Laserstrahlen können spinpolarisierte Ströme in Halbleitern erzeugt werden. Diese Ströme beruhen auf der Interferenz von optischen Übergängen und sind eine makroskopische Manifestation von rein quantenmechanischen Phänomenen. Ein anderer Zugang zur Beeinflussung von Spin-Effekten in Halbleitern ist mit einer steuerbaren Symmetrie-Erniedrigung durch interne und externe elektrische Felder die Spin-Eigenschaften von Ladungsträgern im Leitungsband zu beeinflussen. Die Anisotropie-Effekte werden im Magnetfeld mit der Spin-Quantenschwebungs-Spektroskopie untersucht. Die Spin-Dephasierung von Elektron-Loch-Paaren mit paralleler Spinausrichtung, sogenannten ,,dunklen? Exitonen, in Halbleiter-Quantenpunkten werden untersucht. Halbleiter-Quantenpunkte werden aufgrund ihrer Eigenschaften bezüglich der langen Spin-Kohärenz-Zeiten oft als Kandidaten für eine zukünftige Quanten-Informationsverarbeitung mit Spins herangezogen. Die ,,dunklen'' Exitonen mit einem Gesamtdrehimpuls von J=2 werden durch Zwei-Photonen-Anregung erzeugt und die Umwandlung zu ,,hellen? Exitonen (J=1) mit zeitaufgelöster Ultrakurzzeit-Spektroskopie verfolgt. Im ersten Teil des Anhangs wird der Versuch vorgestellt, aus ferromagnetischen Eisen-Kontakten spinpolarisierte Elektronen über Tunnel-Prozesse in eine Halbleiter-Schichtstruktur zu injizieren. Dazu werden speziell für diesen Zweck prozessierte Dioden-Strukturen verwendet. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Biologie. Blaulicht-Rezeptoren steuern eine Vielzahl von hysiologischen Reaktionen bei Pflanzen, Pilzen und Mikro-Organismen und auch beim Menschen. Die chemischen Substanzen, die zum Beispiel Pflanzen das blaue Licht ,,sehen'' lassen, werden mit Ultrakurzzeit-Spektroskopie untersucht, um die Funktionsweise von lichtabhängigen Prozessen, wie etwa dem Phototropismus, das Wachsen der Pflanzen in Richtung des Lichts, aufzuklären.
Beschreibung:134 pages.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2003.0741