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Optische und optoelektronische Charakterisierung von halbleitenden Nanostrukturen

Offer, Matthias

In dieser Arbeit wird die Photolumineszenz (PL) von Cadmiumselenid-Nanopartikeln (CdSe) und dotierter Galliumarsenid-Nanodrähte (GaAs) untersucht. Weiter wird an GaAs-Nanodrähten mit einem in Wachstumsrichtung ausgeprägten pn-Übergang erstmals Elektrolumineszenz (EL) demonstriert und analysiert. Mittels PL-Spektroskopie werden die exzitonischen Zustände einzelner CdSe-Nanopartikel untersucht. Dabei werden scharfe Emissionslinien, die unterschiedlichen exzitonischen Übergängen zugeordnet werden können, beobachtet. Bei einer Probentemperatur von T ≈ 10K werden dabei Linienbreiten von ∆E(HWB) ≤ 8 meV gefunden. Zudem zeigt sich, dass neben der eigentlichen Hauptlinie auch Phononenreplika des entsprechenden LO- und 2LO-Phonons zu beobachten sind. Ein Exziton in einem ionisierten Nanopartikel trägt die elektronische Struktur eines Trions. Auf Silizium kann bei CdSe-Nanopartikeln die im Grunde optisch erlaubte Rekombination eines Trions jedoch nicht optisch nachgewiesen werden, weil schnellere nichtstrahlende Auger-Prozesse dominieren (optisch inaktiver Zustand). In dieser Arbeit kann jedoch erfolgreich gezeigt werden, dass auf einem mit Aluminium beschichteten Substrat das Trion einzelner CdSe-Nanopartikel dennoch zu beobachten ist. Ursache hierfür ist die, durch Oberflächenplasmonen bewirkte, Reduktion der optischen Lebensdauer. Statt des hier gewöhnlich auftretenden optisch inaktiven Zustandes ist eine sprunghafte und diskrete Rotverschiebung der Emissionsenergie von ∆E ≈ 24 meV zu beobachten. Nach Califano et al. [1] lässt sich diese Emissionslinie zudem einem negativen Trion zuordnen. Darüber hinaus werden p- und n-dotierte GaAs-Nanodrähte mittels PL-Spektroskopie ortsaufgelöst charakterisiert. Der zunächst intrinsische Fuß des Nanodrahtes zeigt die typische PL von GaAs. Ab dem Einsatzpunkt der Dotierung ist dagegen in den Spektren eine steigende Dotierstoffkonzentration, anhand einer Verschiebung der Emissionsenergie, zu erkennen. Durch eine Analyse der entsprechenden Linienform lassen sich Hinweise auf die Verteilung und die Konzentration des Dotierstoffes finden. Mit Hilfe dieser Erkenntnisse wird ferner die PL eines einzelnen GaAs-Nanodrahtes, mit einem in Wachstumsrichtung ausgeprägten pn-Übergang, untersucht. Hier zeigt sich, dass sich aufgrund eines inherenten Memoryeffektes eine kompensierte Zone ausbildet. Dennoch zeigt dieses Bauteil eine typische Diodenkennlinie und es kann erstmals erfolgreich EL nachgewiesen werden. [1] M. Califano, et al., Phys. Rev. B 75, 115401 (2007)

In the present thesis, the photoluminescence (PL) of Cadmiumselenid nanoparticles and doped Galliumarsenid nanowires are investigated. Furthermore, in GaAs nanowires, with a distinct pn-junction in the direction of growth, electroluminescence (EL) is demonstrated and analyzed for the first time. Using PL spectroscopy, the excitonic states of individual CdSe nanoparticles are studied. Sharp emission lines, which can be assigned to different excitonic transitions, can be observed. At a sample temperature of T ≈ 10K, line widths of ∆E(FWHM) ≤ 8 meV are found. Additionally, it is demonstrated that, apart from the main line, phonon replica of the LO and 2LO-phonon can be observed. An exciton in an ionized nanoparticle has the electronic structure of a trion. In silicon, the recombination of a trion in CdSe nanoparticles, while optically allowed, will not be detected visually because faster non-radiative Auger processes dominate (off-state). However, this work shows that, on a coated aluminum alloy substrate, the trions of single CdSe nanoparticles are observable. This observation is due to the reduction of the optical lifetime and is caused by surface plasmons. Instead of the commonly occurring off-state, a jump-like and discrete red shift of the emission energy of ∆E ≈ 24 meV is observed. According to Califano et al. [1], this emission line can also be attributed to a negative trion. In addition, p- and n-doped GaAs nanowires are characterized using spatially resolved PL spectroscopy. The intrinsic stump of the nanowire shows the typical PL of GaAs. Through doping of the GaAs nanowire, there is a recognizable shift in the emission energy. This shift can be attributed to increasing dopant concentration. By analyzing the line shape, information regarding the distribution and concentration of the dopant can be found. Using these findings, the PL of a single GaAs nanowire with a distinct pn-junction in the direction of growth is examined. This observation shows that a compensated region develops because of an inherent memory effect. Nevertheless, this component shows typical diode characteristics and EL can be demonstrated successfully for the first time. [1] M. Califano, et al., Phys. Rev. B 75, 115401 (2007)

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Offer, Matthias: Optische und optoelektronische Charakterisierung von halbleitenden Nanostrukturen. 2011.

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