On the Phonon Interactions and Terahertz Excitations among Coulomb-correlated Charge Carriers of Semiconductors

Der erste Teil dieser Dissertation behandelt die elementaren Wechselwirkungen zwischen Ladungsträgern und Gitterschwingungen in Halbleitern. Die Untersuchungen sind unterteilt in zwei Projekte, welche in den Kapiteln 3 und 4 zusammengefasst sind und die Effekte von Gitterschwingungen auf die Lumineszenz von Halbleitern beschreiben. Im quantenmechanischen Sinn können diese delokalisierten, angeregten Zustände der Schwingungsmoden innerhalb der Kristallstruktur durch ein Quasiteilchen beschrieben werden, das Phonon genannt wird. Longitudinal-optische Phononen können u.a. zur Elektron-Loch-Rekombination beitragen, was zur Entstehung ausgeprägter Repliken, den sogenannten Phononseitenbändern, im Photolumineszenzspektrum eines Halbleiters führt. Es ist wohlbekannt, dass eine dielektrisch strukturierte Umgebung wesentlich zur Veränderung von Lumineszenzspektren und den auftretenden Resonanzen beiträgt, sobald eine Halbleiter-Nanostruktur, wie beispielsweise ein Quantenfilm, in den Schwingungsbauch des intrakavitären Feldes positioniert wird. Wird die Resonanz der Mikrokavität so eingestellt, dass sie mit der 1s-Exzitonresonanz übereinstimmt, sodass die Resonanz des Resonators und des aktiven Materials entartet sind, führt dies zu dem berühmten Szenario der Normalmodenkopplung, bei welcher die Resonanz in zwei Resonanzen aufspaltet. Auf Grundlage dieses ausgiebig untersuchten Systems werden die frühere Untersuchungen an Phononen in Kapitel 3 erweitert und sich eingehend mit der Frage befasst, wie eine dielektrische Umgebung die phonon-assistierte Photolumineszenz modifiziert und beeinflusst. Hierbei wird nicht nur eine Kavität untersucht, deren Resonanzfrequenz mit der 1s-Exzitonenergie übereinstimmt, sondern vor allem auch eine Kavität, die so verstimmt ist, dass sie mit dem ersten Phononseitenband des Emissionsspektrums resonant ist. Nach einer detaillierten numerischen Studie der verschiedenen Kavitätskonfigurationen wird die Analyse durch ein analytisches Modell abgerundet. Das zweite Projekt, welches sich mit Phononen befasst, ist in Kapitel 4 beschrieben. Hier wird der Ursprung der Streumechanismen zwischen Ladungsträgern und Phononen detailliert untersucht. Aufgrund ihrer Kristallstruktur können Halbleitermaterialien stark polares Verhalten aufweisen. Hierdurch bedingt können, abhängig von der Struktur und der Systemkonfiguration, entweder die polare Wechselwirkung oder die nicht-polare Streuung zwischen Ladungsträgern und Phononen im Halbleitermaterial vorherrschend sein. Darüber hinaus verändert die Coulomb-Anziehung das Wechselwirkungsverhalten zwischen Ladungsträgern und Gitterschwingungen, sodass sich einzelne Ladungsträger anders verhalten als ein wechselwirkendes Vielteilchensystem. Dies wirft die Frage auf, unter welchen Umständen und aufgrund welcher Basis ein immanent polares Material von nicht-polarer Streuung zwischen Ladungsträgern und Phononen dominiert werden kann. Unterstützt von experimentell gemessenen phonon-assistierten Photolumineszenzspektren wird eine systematische Vielteilchentheorie vorgestellt, um den Ursprung der Exziton-Phonon-Wechselwirkung in polaren Halbleitern zu erklären und die Rolle eines wechselwirkenden Vielteilchensystems zu identifizieren. Die Coulomb-Wechselwirkung in Vielteilchensystemen ist nicht nur zur Vermittlung der Kopplung zwischen Exzitonen und LO-Phononen von essentieller Bedeutung, sondern spielt auch für intra-exzitonische Übergänge eine wesentliche Rolle, bei welchen diffusive Coulomb-Streuung zur Erweiterung der gewöhnlichen Dipolauswahlregeln führt. Die Energien des ferninfraroten Feldes bei Terahertzfrequenzen liegen im Bereich von Millielektronenvolt und sind damit drei Größenordnungen kleiner als typische Bandlückenenergien. Da die interne Energiestruktur von korrelierten Halbleiter-Vielteilchenzuständen in den meV-Bereich fällt, ist THz-Spektroskopie eine eindeutige und geeignete Methode, um diese Systeme zu untersuchen, also Exzitonpopulationen zu identifizieren und kontrollierte Übergänge zwischen den angeregten Quasiteilchenzuständen zu induzieren. Folglich ermöglicht die Kombination von gepulsten, optischen Feldern und Terahertzfeldern nicht nur die Erzeugung von Vielteilchenanregungen, sondern auch die Charakterisierung ihrer dynamischen Entwicklung sowie die kontrollierte Manipulation der beteiligten Quantenzustände. Unter Anwendung eines magnetischen Feldes können sowohl die Exzitoneigenschaften als auch die THz-induzierten intra-exzitonischen Übergänge modifiziert werden. In Kapitel 5 wird das Augenmerk auf die Effekte gerichtet, die ein Magnetfeld auf die Kontrolle und die Manipulation des intra-exzitonischen Ladungsträgertransfers hat. Die experimentellen Ergebnisse werden durch eine theoretische Beschreibung untermauert, in welcher der Hamilton-Operator des Gesamtsystems durch die Berücksichtigung linearer und nichtlinearer Beiträge des Magnetfeldes wesentlich erweitert wird.