Terahertz-Antwort von zweidimensionalen Ladungsträgersystemen in GaAs-basierten Heterostrukturen

Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der THz-Antwort zweidimensionaler Ladungsträgersysteme in verschiedenen Halbleiterheterostrukturen unter wechselnden Bedingungen. Zur Durchführung der Experimente wird ein Spektrometer verwendet, welches in Kombination sowohl zeitaufgelöste Optische-Anre...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Grunwald, Torben
Beteiligte: Chatterjee, Sangam (Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2009
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der THz-Antwort zweidimensionaler Ladungsträgersysteme in verschiedenen Halbleiterheterostrukturen unter wechselnden Bedingungen. Zur Durchführung der Experimente wird ein Spektrometer verwendet, welches in Kombination sowohl zeitaufgelöste Optische-Anrege--THz-Abfrage-Experimente, als auch optische Anrege-Abfrage-Experimente im Nahinfraroten für identische Bedingungen ermöglicht. Damit werden Untersuchungen der transversalen dielektrischen Funktion sowohl eines (GaIn)As/GaAs-Quantenfilms unter verschiedenen Bedingungen, als auch eines zweidimensionalen Elektronengases in einer GaAs-basierten Heterostruktur durchgeführt. Zunächst wird für einen (GaIn)As/GaAs-Quantenfilm die THz-Antwort eines durch Interbandübergänge generierten Elektron-Loch-Plasmas für verschiedene Ladungsträgerdichten betrachtet. Das Plasma zeigt in der gemessenen transversalen dielektrischen Funktion ein Verhalten gemäß dem klassischen Drude-Oszillatormodell, ebenso wie eine gute Übereinstimmung mit einer mikroskopischen Theorie der THz-Antwort von entsprechenden Vielteilchensystemen. Darüber hinaus findet man bei Betrachtung des negativen Imaginärteils der inversen dielektrischen Funktion eine Plasmaresonanz, deren quadrierte Maximumsfrequenz proportional zur Ladungsträgerdichte des Plasmas ist. Dieses Verhalten entspricht der Plasmafrequenz eines dreidimensionalen Elektron-Loch-Plasmas. Insgesamt kann gezeigt werden, dass sich die transversale THz-Antwort eines zweidimensionalen Elektron-Loch-Plasmas somit wie bei einem dreidimensionales Plasma verhält. Die durch THz-Felder gemessene transversale Antwort eines Elektron-Loch-Plasmas scheint daher unabhängig von der Dimension des Ladungsträgersystems zu sein. Anschließend wird die Situation im Quantenfilm für ein von 1s-Exzitonen dominiertes Ladungsträgersystem untersucht. Für die dielektrische Funktion ergibt sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und mikroskopischer Theorie. Bei der Betrachtung des negativen Imaginärteils der inversen dielektrischen Funktion zeigt bereits ein schwach angeregtes exzitonisches System einen Resonanzpol bei der intraexzitonischen 1s-2p-Übergangsfrequenz. Für steigende Ladungsträgerdichten beginnt sich das Ladungsträgersystem schließlich plasma-artig zu verhalten. Dies geschieht allerdings bereits für Dichten, bei denen noch ein signifikanter Exzitonenanteil im Ladungsträgersystem verbleibt. Die Exzitonenpopulation ist noch nicht vollständig ionisiert, was durch ergänzende optische Anrege-Abfrage-Experimente untermauert wird. Das Ladungsträgersystem beginnt also bereits plasma-artiges Verhalten zu zeigen, bevor die Mott-Dichte erreicht wird. Zuletzt wird ein reines zweidimensionales Elektronengas (2DEG) in einer GaAs-Heterostruktur untersucht. Auch hier zeigt sich im Ergebnis sowohl in der dielektrischen Funktion, als auch im Imaginärteil der inversen dielektrischen Funktion ein Verhalten analog zu einem dreidimensionalen Plasma. Im Unterschied zum Elektron-Loch-Plasma des Quantenfilms kann dies im Falle des 2DEG allerdings nicht vollständig durch ein Drude-Oszillatormodell beschrieben werden. Es ergibt sich jedoch eine gute Übereinstimmung zu der mikroskopischen Theorie. Daher scheinen hier Vielteilcheneffekte eine größere Rolle zu spielen, welche den ponderomotiven Beitrag der THz-Antwort erheblich modifizieren.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2010.0036