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Internal electric field manipulation in nanostructures
Schlichting, Sarah Kristina
Recently, an unconventional approach [the so-called Internal-Field-Guarded-Active-Region Design (IFGARD)] for the elimination of the crystal polarization field induced quantum confined Stark effect (QCSE) in polar semiconductor heterostructures was developed. This thesis demonstrates by means of micro-photoluminescence techniques the successful tuning as well as the elimination of the QCSE in strongly polar [0001 ̅] wurtzite GaN/AlN nanodiscs causing a reduction of the exciton life times by up to four orders of magnitude. The IFGARD based elimination of the QCSE is independent of any specific crystal growth procedures. Furthermore, the cone-shaped geometry of the utilized nanowires (which embed the investigated IFGARD nanodiscs) facilitates the experimental differentiation between quantum confinement- and QCSE-induced emission energy shifts. Due to the IFGARD, both effects become independently adaptable.
Within the IFGARD nanodiscs, several exciton recombination pathways are determined. For the first time, an evolution from a biexponential decay process at the low energy luminescence flank of the NDs to a triexponential decay process on the high energy side of the ND luminescence is observed. This evolution becomes detectable due to the absence of the built-in polarization fields. By combining the results of scanning tunneling electron microscopy, µ-photoluminescence and temperature dependent time resolved photoluminescence measurements, the three recombination pathways are assigned to excitons in different types of nanodisc-monolayer-thickness fluctuations and surface states joined by relaxation processes.
Kürzlich wurde ein unkonventioneller Ansatz, das sogenannte „Internal-Field-Guarded-Active-Region Design“ (IFGARD) für die Eliminierung des durch das Kristallpolarisationsfeld induzierten „quantum confined Stark effects“ (QCSE) in polaren Halbleiterheterostrukturen vorgestellt. Die vorliegende Arbeit demonstriert mithilfe von Mikro-Photolumineszenzmessungen die erstmalige, erfolgreiche, experimentelle Umsetzung des IFGARDs am Beispiel von stark polaren [0001 ̅] Wurtzit GaN/AlN Nanodisks. Durch die erfolgreiche Eliminierung des QCSE verkürzen sich die Exzitonenlebensdauern um bis zu vier Größenordnungen. Dabei erfordert die auf IFGARD basierende Aufhebung des QCSE keine neuartigen oder anspruchsvolleren Kristallwachstumsprozeduren. Außerdem ermöglicht die Trichterform der untersuchten Nanodrähte (welche die IFGARD Nanodisks beinhalten) die experimentelle Differenzierung der durch das „quantum Confinement“- oder durch den QCSE induzierten Energieverschiebung der Nanodiskemission. Durch das IFGARD werden beide Effekte erstmalig voneinander unabhängig anpassbar.
In den Nanodisks wurden mehrere, unterschiedliche exzitonische Rekombinationskanäle nachgewiesen. Dabei konnten erstmalig Übergänge von einem biexponentiellen Verhalten der Zerfallstransienten, die auf der niederenergetischen Seite der Nanodisklumineszenz auftraten hin zu einem triexponentiellen Zerfall auf der hochenergetischen Seite der Nanodisklumineszenz beobachtet werden – eine Beobachtung, die durch die Abwesenheit der in konventionellen Proben inhärenten elektrischen Polarisationsfelder möglich wurde. Mithilfe kombinierter Charakterisierung der IFGARD-Proben durch Rastertunnelelektronenmikroskopie, µ-Photolumineszenz- und zeitaufgelöster µ-Photolumineszenzspektroskopie wurden die exzitonischen Rekombinationskanäle Ladugsträgern in unterschiedlichen Arten von Nanodiskdickenfluktuationen und Oberflächenzuständen in Kombination mit Relaxationsprozessen zugeordnet.
