Spektroskopie an einzelnen Halbleiter-Quantenpunkten : Aufbau zweier Tieftemperatur-Experimente

Titelangaben

Schäfer, Gerhard Johannes:
Spektroskopie an einzelnen Halbleiter-Quantenpunkten : Aufbau zweier Tieftemperatur-Experimente.
Bayreuth , 2021 . - IV, 113 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005629

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Abstract

In dieser Arbeit werden einige optische Experimente zur Untersuchung von einzelnen Halbleiter-Quantenpunkten beschrieben. Zu Beginn wird die Herstellung der Quantenpunkte erläutert und dabei auf die Tröpfchen-Ätz-Methode eingegangen. Diese Methode dient dazu, Galliumarsenid-Quantenpunkte in einer AlGaAs-Matrix herzustellen. Danach werden die grundlegenden optischen Eigenschaften der Quantenpunkte beschrieben. Ein spezielles Augenmerk wird dabei auf die Übergangsenergie des Exzitons und dessen Feinstrukturaufspaltung gelegt, die für die weiteren Experimente relevant sind.

Zur Untersuchung der einzelnen Quantenpunkte sind Temperaturen von unter 10 K notwendig. Der, in den Experimenten verwendete Kryostat, ist ein geschlossener Kreislaufkryostat mit Pulsröhrenkühler. Aufgrund der Funktionsweise eines Pulsröhrenkühler können Vibrationen des Kühlers auf die Probe übertragen werden. Da bei der Untersuchung einzelner Quantenpunkte Vibrationen an der Probe störend sind, wurden diese zu Beginn charakterisiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Vibrationen an der Probe geringer als 20 nm sind.

Da Quantenpunkte als künstliche Atome betrachtet werden können, ist es möglich Resonanzfluoreszenz daran zu beobachten. Dafür wurde ein experimenteller Aufbau realisiert, bei dem ein einzelner Quantenpunkt kontinuierlich mit einem schmalbandigen Laser bestrahlt wird. Das vom Quantenpunkt abgegebene Licht wird mit einem 100-fach Mikroskopobjektiv eingesammelt und anschließend mit einer APD detektiert. Um das an der Probe reflektierte Anregungslicht abzublocken, werden gekreuzte Polarisatoren verwendet. Dabei konnte eine Unterdrückung von 4,15e−6 bei Raumtemperatur erreicht werden. Bei tiefen Temperaturen beträgt die Unterdrückung maximal 6,3e-5.

Es wurde ebenfalls ein Experiment zur kohärenten Transienten-Reflexionsspektroskopie aufgebaut. Dabei wird der Quantenpunkt durch einen gepulsten Laser mit einer Repetitionsrate von 1 GHz angeregt und nach einer definierten Zeitverzögerung später mit Hilfe eines weiteren Laserpulses, die durch die Anregung veränderte Reflexion vermessen. Zur Detektion wird eine Zeilenkamera verwendet, die mit einer Ausleserate von bis zu 126 kHz abgefragt werden kann. Durch die hohe Repetitionsrate und Ausleserate ist es notwendig, das Experiment zeitlich sehr präzise zu steuern. Dafür wird ein FPGA verwendet und es wurde das hier beschriebene Auslese- und Auswerteprogramm entwickelt. Damit ist es möglich, Messungen an Quantenpunkten durchzuführen.

Abstract in weiterer Sprache

The focus of this thesis was to set up two optical experiments on single semiconductor quantum dots. These Experiments are using a closed cycle cryostat to cool the sample and a 100 times NA 0.90 microscope objective for ecitation and detection.
In the experiments gallium arsenide quantum dots in an aluminum gallium arsenide matrix are used and therefore, their production through the droplet etching method is presented. This is followed by the description of the optical properties of these quantum dots. Special focus is given here on the position and fine structure splitting of the excitonic transition.

To examine single quantum dots it is necessary to cool the sample to cryogenic temperatures below 10 K. We used a closed cycle pulse tube refrigerator to reach these temperatures in the experiments. In a first step, we characterized the vibrations of the sample during the experiment since these vibrations disturb the measurements and need to be known for a correct interpretation of the results. The characterization yielded vibrations below 20 nm, which was adequate for the intended experiments.

Quantum dots can be described as artificial atoms and it is possible to observe resonance fluorescence on them. To detect the resonance flurescence we realized an experimental setup using a narrow band cw laser. The emitted light of the quantum dot was collected by a 100 times microscope objective and was detected by an APD. The reflected laser light of the sample was suppressed using a crossed polarizer setup based on Glan Thompson polarizers. The use of this polarizer achieved a suppression of the pump light up to 4.15e-6 at room temperature and at cryogenic temperatures the suppression was up to 6.3e-5.

A second experiment was built to measure coherent transient reflection spectroscopy. Here, a quantum dot is excited using a short laser pulse from a titanium sapphire laser with a repetition rate of 1 GHz. A defined time interval later, a second laser pulse hits the sample. The reflected light was detected using a monochromator and a single line ccd camera, which had a readout speed up to 126 kHz. Due to this high speed it was necessary to use a programmed FPGA to control the components, especially the choppers and the trigger of the camera. A software was created to read the measured data from the camera and analyze it. With this experimental setup it is possible to do pump probe experiments on quantum dots.