Download - Charakterisierung optisch angeregter Halbleiter mit phasenaufgelöster Pump-Probe-Spektroskopie
1
Charakterisierung optisch angeregter Halbleiter mit phasenaufgelöster Pump-Probe-Spektroskopie
Matthias SeemannAG HalbleiterphysikUniversität Rostock
11. Juli 2005
2
Ultraschnelle Prozesse in Halbleitern
10 fs 100 fs 10 ps
Zeit
Anregung/Kohärenz Thermalisierung Entfernung von Ladungsträgern
•Abschirmung
•Streuung
•Thermalisierung
•Dephasierung
•Exzitonen
•Phononstreuung
RekombinationErzeugung von Ladungsträgern
Abb: Sundaram, Mazur, Nature 1, 2002
elektromagne-tisches Feld
Elektronen, Löcher
KohärenzPolarisation P(t)
3
Ultraschnelle Prozesse in Halbleitern
10 fs 100 fs 10 ps
Zeit
Anregung/Kohärenz Thermalisierung Entfernung von Ladungsträgern
•Abschirmung
•Streuung
•Thermalisierung
•Dephasierung
•Exzitonen
•Phononstreuung
RekombinationErzeugung von Ladungsträgern
Abb: Sundaram, Mazur, Nature 1, 2002
elektromagne-tisches Feld
Elektronen, Löcher
KohärenzPolarisation P(t)
4
ÜbersichtÜbersicht
Halbleitermodelle Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse Verhalten der reflektierten Phase für gering
angeregte Halbleiterschichten Abhängigkeit der reflektierten Phase von der
Ladungsträgerkonzentration in der Halbleiterschicht Zusammenfassung
5
ÜbersichtÜbersicht
Halbleitermodelle Oszillatormodell quantenmechanische Modelle
Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse Verhalten der reflektierten Phase für gering
angeregte Halbleiterschichten Abhängigkeit der reflektierten Phase von der
Ladungsträgerkonzentration in der Halbleiterschicht Zusammenfassung
6
Oszillatormodell
Polarisation
dielektrische Funktion2
statr bg 2 2
( )( , )
( ) iab ab ab
ab
fk
k
phänomenologische Dämpfungskonstante (alle dissipativen Prozesse)
Zwei-Niveausystematomarer Oszillator
Eingrenzung von Gleichgewichtseigenschaften der Proben
Räumliche Dispersion
7
Quantenmechanische Modelle
2 2
X G 2B e h
*
2( )
Ry KE
n m m
Tanguymodell
• isoliertes Exziton• dissipative Prozesse Lorentz- verbreiterung
Halbleiter-Bloch-Gleichungen
• angeregter Halbleiter• statistisches Vielteilchenmodell
T2 – Dephasierungszeit
T1 – Rekombinationszeit
T – Temperatur
V – Potential
8
Reflexion an Halbleiterschichten
Dispersionsrelation der Polaritonen
22 (1)
bg2( , )
cK K
mikroskopisches Modell (Halbleiter)
Pekar‘sche Randbedingungen
komplexer Reflexionskoeffizient
klassisches Modell der Reflexion im Rahmen der Maxwell-Gleichungen
Amplitudenverhältnis der Polaritonwellen
9
ÜbersichtÜbersicht
Halbleitermodelle Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse
Kreuzkorrelation (P.I.C.A.S.O.) Spektrale Interferometrie (SI)
Verhalten der reflektierten Phase für gering angeregte Halbleiterschichten
Abhängigkeit der reflektierten Phase von der Ladungsträgerkonzentration in der Halbleiterschicht
Zusammenfassung
10
Phase des LichtfeldesZeitbereichZeitbereich
FrequenzbereichFrequenzbereich
Spektrum1/2
Problem der Phasenrekonstruktion
Fourier-transformation
spektrale Phase
11
Rekonstruktionsverfahren für die spektrale Phase
P.I.C.A.S.O.(Phase and Intensity from
Crosscorrelation And Spectrum Only)
• einfacher Aufbau
• referenzfrei
• prinzipielle Vieldeutigkeiten der rekonstruierten Pulse
Spektrale Interferometrie
• Sensitivität
• Eindeutige explizite Auswertung
• benötigt Referenzpuls
• interferometrisch
Vorteile
Nachteile
Charakterisierung der anregenden Laserpulse
Charakterisierung des emittierten Lichtfeldes
Aufgabe
Methode
12
P.I.C.A.S.O. zweiter Ordnung mit Intensitätskreuzkorrelation
Spektrum
Kreuzkorrelation
13
Simulation
Messung von Pulsen mit kubischer spektraler Phase
Messung mit SHG P.I.C.A.S.O.
14
Pulse mit kubischer spektraler PhaseSpektrales Feld
15
Güte der rekonstruierten PhaseDifferenz der spektralen PhasenSpektrales Feld
Einfluß von Meßfehlern:Einfluß von Meßfehlern:
Spektrum 410 :1SNRKreuzkorrelation 510 :1SNR(SNR – signal to noise ratio)
16
Spektrale InterferometrieMach-Zehnder-Interferometer
17
Spektrale Interferometrie
18
Transmissionsmessungen an Glasproben Bestimmung der Phase des komplexen Transmissionskoeffizienten
Spektrale Interferometrie
19
ÜbersichtÜbersicht
Halbleitermodelle Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse Verhalten der reflektierten Phase für gering
angeregte Halbleiterschichten Abhängigkeit der reflektierten Phase von der
Ladungsträgerkonzentration in der Halbleiterschicht Zusammenfassung
20
Reflexionsexperiment
Laser
Bestimmung des komplexen Reflektionskoeffizienten r()
21
Phase der Reflektivitätnicht-vorangeregter Halbleiter
22
Betrag |r| der Reflektivitätnicht-vorangeregter Halbleiter
23
Dispersionsrelation der Polaritonennicht-vorangeregter Halbleiter - Tanguymodell
24
Dispersionsrelation der Polaritonennicht-vorangeregter Halbleiter - Tanguymodell
25
Dispersionsrelation der Polaritonennicht-vorangeregter Halbleiter - Tanguymodell
26
Phase der Reflektivitätnicht-vorangeregter Halbleiter – Vergleich mit Modellen
27
Phase der Reflektivitätnicht-vorangeregter Halbleiter – Vergleich mit Modellen
Tanguymodell liefert die beste Übereinstimmung
28
Betrag |r| der Reflektivitätnicht-vorangeregter Halbleiter – Vergleich mit Modellen
29
Betrag |r| der Reflektivitätnicht-vorangeregter Halbleiter – Vergleich mit Modellen
Tanguymodell liefert die beste Übereinstimmung
30
Phasenverhalten an Polaritonreso-nanzen bei geringer Anregung
31
ÜbersichtÜbersicht
Halbleitermodelle Charakterisierung ultrakurzer Laserpulse Verhalten der reflektierten Phase für gering
angeregte Halbleiterschichten Abhängigkeit der reflektierten Phase von der
Ladungsträgerkonzentration in der Halbleiterschicht Zusammenfassung
32
Phase der Reflektivität im Grundzustand
33
Pump-Probe-Reflexionsexperiment
Laser
Bestimmung des komplexen Reflektionskoeffizienten r()
Reflexion
34
Phase der Reflektivität bei Variation des Pumpzeitpunktes
35
Phase der Reflektivität bei Variation der Pumpleistung
Messung Theorie (SBE)*
* Modellierung und Berechnung durch G. Manzke
36
Abhängigkeit des -Phasensprunges von der AnregungsdichteModell der Halbleiter-Bloch-Gleichungen (G. Manzke)
37
Phasenverhalten an Polaritonreso-nanzen bei erhöhter Anregung
Erhöhte Dämpfung des Exzitons Umklappen des -Phasensprunges
38
Zusammenfassung• erfolgreiche Rekonstruktion von Laserpulsen mit P.I.C.A.S.O.-Methode zweiter Ordnung
• Anwendbarkeit auf Pulse mit kubischer spektraler Phase
• Bedingungen an die erforderliche Meßdynamik
• erstmalige Messung von Sprüngen in der spektralen Phase an Fabry-Perot-Resonanzen der Halbleiterschicht
• Verhalten der -Sprünge hängt empfindlich von den die Lichtpropagation in der Schicht beeinflussenden Vielteilchen-Streuprozessen des Elektron-Loch-Ensembles ab.
• Abhängigkeit vom Anregungszeitpunkt
• Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte
• Modellrechnungen im Rahmen des Formalismus der Halbleiter-Bloch-Gleichungen konnten bestätigt werden
39
DanksagungIch danke besonders
• Herrn Prof. Dr. Stolz für die Themenstellung, Ideen und Vorschläge• Herrn Prof. Dr. Hommel und Herrn Dr. Passow für die Probenherstellung• Dr. Frank Kieseling für die Unterstützung im Labor• Dr. Günter Manzke und Robert Franz für die Durchführung der Modellrechnungen und Diskussionen• allen (ehemaligen) Mitarbeitern der AG Halbleiterphysik insbesondere Dr. Christoph Nacke, Lena Fitting, Dr. Gerd Rudlof und Dr. Birger Seifert• der Feinmechanischen Werkstatt des Institutes für Physik
Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!
40
41
Zeitaufgelöste PulspropagationReflektiertes Feld E(t)
42
Reflektivität |r()|2 bei Variation der Pumpleistung
nur sehr geringe Änderungen
43
Spektrale InterferometrieInterferogramm für = 440.83 nm
Interferometrische Stabilität ca. 80 Attosekunden
44
PolaritoninterferenzDispersionsrelation und Reflektivität einer ZnSe-Epitaxieschichtprobe
45
ungepumpte komplexe Reflektivität
•Fabry-Perot-Modenstruktur der verschiedenen Probenschichten im Oszillator-/Tanguymodell
•effektive Schichtdicke (25.5 nm) etwas größer als die nominelle Schichtdicke (25 nm)
Betrag |r()|
qualit. Bestätigung des Eindringens der Polarisation in die Barriere (quanten-mechanisches Modell)
Phase
•erstmalige Messung des Auftretens von Sprüngen der Phase an Polaritonresonanzen
46
Dicke der exzitonischen Totschicht
47
Phase des Lichtfeldes
L( ) ( ) cos[ ( )]E t E t t t Laserpuls im ZeitbereichLaserpuls im Zeitbereich
im Frequenzbereichim Frequenzbereich Spektrum Problem der Phasenrück-gewinnung
48
Verfahren zur Charakteri-sierung ultrakurzer Lichtpulse