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Versuch V-So 16 – Optische Frequenzverdopplung (SHG) an Festkörpergrenzflächen

Innere Grenzflächen zwischen zwei Festkörpern spielen eine herausragende Rolle in den modernen Materialwissenschaften und ihren technischen Anwendungen. Mittels nichtlinearer optischer Spektroskopie ist es möglich, selbst an vergrabenen Grenzflächen Informationen über die elektronische Struktur und die Dynamik von Ladungstransferprozessen zu gewinnen. Auf diese Weise kann beispielsweise der Aufbau und Zerfall transienter elektrischer Felder, infolge einer optischen Anregung untersucht werden.

Bei der optischen Frequenzverdopplung (englisch: Second Harmonic Generation, SHG) erzeugt eine einfallende elektromagnetische Welle eine nichtlineare Polarisation, die zum Aussenden einer Welle mit doppelter Frequenz führt.  Die Tatsache, dass das Volumen inversionssymmetrischer Festkörper  nahezu keinen Beitrag zum SHG-Signal liefert, macht diese Technik dabei ausgesprochen oberflächen- und grenzflächensensitiv.

Diese Grenzflächenempfindlichkeit machen wir uns in diesem neuen F-Praktikumsversuch zu Nutze, um die vergrabenen Grenzflächen verschiedener GaP/Si(001) Heterostrukturen zu untersuchen. GaP/Si(001) stellt dabei ein wohl-charakterisiertes Modellsystem einer anorganischen Halbleiterheterostruktur aus einem polaren sowie einem nicht-polaren Material dar. Durch die nahezu identische Gitterkonstante von GaP und Si lassen sich die Strukturen sehr kontrolliert epitaktisch herstellen. Mittels unserer Rotations-Anisotropie SHG-Messungen an diesen Proben lassen sich Rückschlüsse auf die Struktur der jeweiligen Grenzfläche und mögliche Defekte (wie z.B. Anti-Phasengrenzen oder Zwillings-Defekte) ziehen.