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Methoden

Wir untersuchen die Wechselwirkung von Halbleitermaterialien mit Licht im nahen UV-, im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich. Dabei interessiert uns besonders die Photolumineszenz, also das Licht, das die Materialien ihrerseits nach einer optischen Anregung durch einen Laser aussenden. Wir können die Lumineszenz sowohl spektral und zeitlich als auch ortsaufgelöst betrachten. Unser Anspruch ist es dabei, diese Informationen miteinander zu korrelieren. Dies hilft uns, robuste kinetische Modelle zu entwickeln, die auch die Diffusion optischer Anregungen mit einbeziehen. Andererseits können wir etwas über die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von inhomogenen oder defektbehafteten Materialien auf mesoskopischen Längenskalen lernen.

Zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie

Mit Hilfe der zeitaufgelösten Photolumineszenz-sSpektroskopie untersuchen wir die Zeitskalen, auf denen optische Übergänge stattfinden mit einer zeitlichen Auflösung im Bereich von einer Pikosekundewenigen Pikosekunden die Zeitskalen, auf denen optische Anregungen rekombinieren. Als Anregungsquelle für die Materialproben dient ein Kurzpulslaser mit Pulsen von einer Dauer von nur 100 Femtosekunden. Die Detektion des zeitaufgelösten Photolumineszenzsignals Lumineszenzsignals erfolgt mit einer Streak-Kamera, mit der wir nachverfolgen können, wie sich das Emissionsspektrum einer Anregungspopulation zeitlich entwickelt.

Ortsaufgelöste Spektroskopie

Viele der Proben, die wir untersuchen, sind nicht regelmäßig geformt. Durch ortsaufgelöste Messungen wollen wir den Einfluss der Mikrostruktur auf die optischen Eigenschaften besser verstehen. Dazu verwenden wir einen Mikroskopie-Aufbau, mit dem wir uns ein Bild von der lokalen Probenstruktur machen und den Ort der Anregung durch den Laser genau bestimmen können. Wir können außerdem mit Hilfe der Streak-Kamera verfolgen, wie sich eine Anregungspopulation räumlich entwickelt und so die laterale Diffusion von Exzitonen und Ladungsträgern nachvollziehen.

Tieftemperatur-Photolumineszenz

Mit der Temperatur lassen sich bestimmte nicht-strahlende Prozesse in Halbleitermaterialien ausschalten und einige Defektzustände zeigen bei tiefen Temperaturen ganz spezifische Signaturen. Darüber hinaus verrät uns die Dynamik der Photolumineszenz bei verschiedenen Temperaturen viel über die zugrundeliegenden Transportmechanismen. Um solche Untersuchungen zu realisieren, verwenden wir einen Helium-Durchflusskryostaten, den wir mit flüssigem Helium auf Temperaturen von bis zu 4 Kelvin herunterkühlen.

Links: Schematischer Messaufbau für die zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie; rechts: Ein typischer Datensatz der Streak-Kamera. Der Falschfarbenplot stellt die Intensität der Photolumineszenz als Funktion der Zeit (vertikale Achse) und der Energie (horizontale Achse) dar. Alternativ kann auch die räumliche Entwicklung einer Anregungspopulation als Funktion der Zeit betrachtet werden.