Struktur und Dynamik von Stromfilamenten

Jürgen Hirschinger, Dissertation (Aachen, Verlag Mainz, 1999, ISBN 3-89653-474-2)

Betreuer: Prof. Dr. W. Prettl
eingereicht am 3.11.98
Colloquium am 18.12.98

Eine grundlegende Frage verschiedener Wissenschaftsdisziplinen ist, wie in der Natur, trotz der überall auftretenden, unvermeidlichen Energiedissipation hochgeordnete Strukturen entstehen und sich fortwährend neu ausbilden können. Ohne Aufprägung einer von außen vorgegebenen Gestalt entstehen in der Atmosphäre Wolkenstrukturen; aus einer noch undifferenzierten Zelle entwickelt sich ein komplexer Organismus.

Ein Modellsystem für Fragen selbstorganisierter Strukturbildung stellt die Ausbildung von Strukturen im elektrischen Stromfluß in hochreinen Halbleiterschichten (n-GaAs) dar, die sich in Form von Stromkanälen (Stromfilamenten) nach einem elektrischen Durchbruch manifestieren. Experimentell kann die Stromdichteverteilung über eine ortsaufgelöste Detektion der im nahen Infrarot liegenden Photolumineszenz visualisiert werden.

Zentraler Aspekt meiner Arbeit stellte die Untersuchung des Einflusses der Kontaktgeometrie auf die Anordnung von stationären Filamenten, deren Breitenwachstum und Teilungsverhalten dar. Darüber hinaus konnten im Magnetfeld erstmals auch Filamentbewegungen direkt beobachtet werden. Ferner konnte gezeigt werden, daß die als theoretisches Konzept wohl etablierte Größe Hall-Winkel im untersuchten Materialsystem direkt photographiert werden kann, und so eine Bestimmung der Ladungsträgerbeweglichkeit im Filamentinnern erlaubt.

Eine völlig neuartige Art der Strukturbildung konnte ohne die Verwendung von Kontakten im elektrischen Feld einer Mikrowelle beobachtet werden. Dies erinnert an den Übergang von an die Elektroden Wolke und Erdboden gebundenen Blitze zum kuriosen Phänomen der Kugelblitze.