 | Raman-Spektroskopie an Halbleiter-Quantenstrukturen Michael Hirmer, Tobias Korn, Christian Schüller |
Die Ramanstreuung ist eine sehr leistungsfähige Methode, die es erlaubt, Elementaranregungen - in unserem Fall in Halbleiterstrukturen - direkt zu beobachten und zu untersuchen. Die Energien der Elementaranregungen (z.B. Phononen, kollektive elektronische Anregungen (Plasmonen) oder Spinanregungen) liegen dabei im ferninfraroten, also niederenergetischen, Spektralbereich.
Im Raman-Prozess (inelastische Lichtstreuung) werden in den Halbleiterstrukturen Elementaranregungen erzeugt (Stokes-Prozess) oder vernichtet (Antistokes-Prozess). Da für den inelastischen Streuprozess Energie- und Impulserhaltung gilt, ist die Stokesline, die daraus resultiert, dass eine Elementaranregung erzeugt wurde, um die Energie der Elementaranregung gegenüber der elastisch gestreuten Laserlinie zu kleinerer Energie verschoben. Entsprechend erscheint die Antistokeslinie bei größerer Energie (siehe schematisches Bild oben). Als Laser werden typischerweise Systeme verwendet, die im sichtbaren bis nahinfraroten Spektralbereich arbeiten. Daraus resultiert eine der Stärken der Methode: Die Messung des Spektrums erfolgt im sichtbaren Spektralbereich, in dem sehr leistungsfähige Detektoren (z.B. CCD-Kameras) zur Verfügung stehen. Die Energien der erzeugten, bzw. vernichteten Anregungen liegen jedoch im Ferninfrarot. Die Intensitäten der Ramansignale sind in der Regel um mehrere Größenordnungen kleiner als die Intensität des elastisch gestreuten Lichts. Deshalb verwendet man meist mehrstufige Gitterspektrometer, um das elastisch gestreute Laserlicht spektral scharf ausblenden zu können. Dies ist im schematischen Bild oben durch die gelb markierten Bereiche angedeutet. In unserem Ramanlabor steht hierfür ein Dreifach-Gitterspektrometer zur Verfügung. Als Laser verwenden wir entweder Festkörperlaser mit 532 nm bzw. 458 nm Wellenlänge oder optisch gepumpte, in der Wellenlänge im roten bis nahinfraroten Spektralbereich durchstimmbare Titan-Saphir-Laser.
Die Abbildung oben zeigt Stokes-Ramanspektren eines modulationsdotierten GaAs-AlGaAs-Quantenfilms bei tiefen Temperaturen (4 Kelvin). Die beobachteten Anregungen können elektronischen Intersubbandanregungen (siehe schematisches Bild) bzw. dem LO-Phonon des GaAs-Kristalls zugeordnet werden. Auf Grund der Elektron-Elektron-Coulombwechselwirkung bilden sich kollektive elektronische Anregungen. Dies sind - makroskopisch betrachtet - Dichteoszillationen des Elektronensystems, sogenannte Ladungsdichteanregungen (CDE) bzw. Spindichteanregungen (SDE). Die beiden Anregungstypen können durch Polarisationsauswahlregeln getrennt und dadurch identifiziert werden: CDE beobachtet man bei paralleler Polarisation von einfallendem Laserlicht und Streulicht (rotes Spektrum), SDE bei senkrecht aufeinander stehenden Polarisationsrichtungen (blaues Spektrum).
In unseren Projekten untersuchen wir zum Beispiel Ladungs- und Spindichteanregungen in GaAs-AlGaAs-Quantenfilmstrukturen, die entweder sehr reine zweidimensionale Elektronensysteme oder zweidimensionale Lochsysteme enthalten. Bei den Lochsystemen interessiert uns insbesondere der Einfluss der Spin-Bahn-Wechselwirkung auf die Spindichteanregungen. Ein Hauptfokus ist die Erforschung der Lebensdauern der Elementaranregungen in den jeweiligen Systemen. Dies würde Rückschlüsse auf die fundamentalen Wechselwirkungen erlauben. Hierzu planen wir zeitaufgelöste Ramanexperimente, für die uns ein gepulstes Titan-Saphir-Lasersystem mit optischer Verzögerungsstrecke für Antistokes-Pump-Probe-Experimente zur Verfügung steht.
Einige ausgewählte Referenzen
- R. Krahne, G. Chilla, C. Schüller, L. Carbone, S. Kudera, G. Mannarini, L. Manna, D. Heitmann, and R. Cingolani:
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- T. Brocke, M.-T. Bootsmann, M. Tews, B. Wunsch, D. Pfannkuche, Ch. Heyn, W. Hansen,
D. Heitmann, and C. Schüller:
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- C. Schüller, K. Keller, G. Biese, E. Ulrichs, L. Rolf, C.
Steinebach, D. Heitmann, and K. Eberl:
„Quasiatomic Fine Structure and Selection Rules in Quantum Dots”,
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- M.-T. Bootsmann, C.-M. Hu, Ch. Heyn, D. Heitmann, and C. Schüller:
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- E. Ulrichs, G. Biese, C. Steinebach, C. Schüller, and D.
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- C. Schüller, G. Biese, K. Keller, C. Steinebach, D. Heitmann,
P. Grambow, and K. Eberl:
„Single-particle excitations and many-particle interactions in quantum wires and dots”,
Phys. Rev. B 54, R17304-R17307 (1996).
- C. Steinebach, R. Krahne, G. Biese, C. Schüller, D. Heitmann,
and K. Eberl:
„Internal electron-electron interactions in one-dimensional systems detected by Raman spectroscopy" ,
Phys. Rev. B 54, R14281-R14284 (1996).
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Monographie Christian Schüller: „Inelastic Light Scattering of Semiconductor Nanostructures, Fundamentals and Recent Advances”, Springer Tracts in Modern Physics Vol. 219 (Springer Berlin, Heidelberg 2006). |