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Main Title: Elektronische Struktur angeregter Zustände einzelner InAs-Quantenpunkte
Translated Title: Electronic properties of excited states in single InAs quantum dots
Author(s): Warming, Till
Advisor(s): Bimberg, Dieter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Ausnutzung quantenmechanischer Effekte in Halbleiter-Nanostrukturen eröffnet der Halbleiterelektronik Wege zu vollständig neuartigen Bauelementen. Beispiele hierfür sind die für die Quantenkryptografie benötigten Einzelphotonenemitter, bzw. Emitter verschränkter Photonenpaare, sowie Qubit-Systeme für Quantencomputer. Quantenpunkte im Materialsystem InAs/GaAs stellen dabei viel versprechende Strukturen für die Realisierung solcher Bauelemente dar. Für diese Entwicklung ist ein tiefes Verständnis der elektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte unumgänglich. Ziel dieser Arbeit ist es mittels energetisch hochauflösender Anregungsspektroskopie an einzelnen Quantenpunkten die elektronische Struktur von Mehrteilchenzuständen im Grundzustand sowie in angeregten Zuständen zu beobachten und dadurch die Auswirkung von Austauscheffekten zu entschlüsseln. Die Ergebnisse bilden zudem wichtige Vergleichswerte, die benötigt werden um realistische Modellrechnungen bewerten und weiterentwickeln zu können. Als experimentelle Methode wird µ-Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie verwendet. Es wird ein Verfahren entwickelt, welches für die wesentlichen Resonanzen im Anregungsspektrum eine eindeutige Identifizierung der beteiligten elektronischen Niveaus ermöglicht. Die Feinstrukturaufspaltung des angeregten Trions stellt dabei den entscheidenden Schlüssel dar. In den Anregungsspektren vorbeladener Quantenpunkte kann mit der Feinstruktur des angeregten Trions erstmals die vollständige Feinstruktur eines nicht trivialen Zustandes beobachtet werden. Modellrechnungen basierend auf der acht-Band k.p Methode in Verbindung mit einem Konfigurationsinteraktionsmodell zeigen gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen. Somit können mit der Modellierung auch korrekte Vorhersagen über die, für auf einzelnen Quantenpunkten basierenden Bauelementen interessante, Feinstrukturaufspaltung des Exzitons getroffen werden. Die Auswahlregeln der beobachteten Übergänge zeigen, dass die untersuchten InGaAs/GaAs-Quantenpunkte keine strukturelle Symmetrie aufweisen. Die Kombination von Anregungsspektroskopie und resonant angeregter Photolumineszenz ermöglicht es, die Energiedifferenzen der ersten drei Einteilchenzustände des Lochs ohne den Einfluss von Mehrteilcheneffekten zu bestimmen. Diese waren vorher experimentell nicht zugänglich. Mit diesem Wissen ist es anschließend möglich zu beobachten, wie die Bindungsenergie des Exzitons variiert, wenn sich das Loch nicht im Grundzustand sondern im ersten, bzw. zweiten angeregten Zustand befindet. Hieraus können Aussagen über die Ausdehnung der Wellenfunktionen abgeleitet werden. Energieselektive Ladungsträgerspeicherung ermöglicht die Beobachtung der Bindungsenergien angeregter Mehrteilchenkomplexe auch am Quantenpunktensemble. Die Ladungsträgerspeicherung wird zur Speicherung von Spinzuständen im Quantenpunkt weiterentwickelt. Diese sind zur Verwendung als Qubit-System im Quantencomputer von besonderem Interesse. Es kann ein Verfahren realisiert werden, mit dem Spinzustände in Quantenpunkten gezielt präpariert und ausgelesen werden können.
The application of quantum-mechanical effects in semiconductor nanostructures enables the realization of novel opto-electronic devices. Examples are given by single-photon emitters and emitters of entangled photon pairs, both being essential for quantum cryptography, or for qubit systems as needed for quantum computing. InAs/GaAs quantum dots are one of the most promising candidates for such applications. A detailed knowledge of the electronic properties of quantum dots is a prerequisite for this development. The aim of this work is an experimental access to the detailed electronic structure of the excited states in single InAs/GaAs quantum dots including few-particle effects and in particular exchange interaction. The experimental approach is micro photoluminescence excitation spectroscopy (µPLE). One of the main difficulties using µPLE to probe single QDs is the unambiguous assignment of the observed resonances in the spectrum to specific transitions. By comparing micro photoluminescence (µPL) and µPLE spectra, the identification of the main resonances becomes possible. The key is given by the fine structure of the hot trion. Excitation spectroscopy on single charged QDs enables for the first time the complete observation of a non-trivial fine structure of an excitonic complex in a QD, the hot trion. Modelling based on eight-band k.p theory in combination with a configuration interaction scheme is in excellent agreement. Therewith the simulation also enables realistic predictions on the fine structure of the ground-state exciton which is of large importance for single quantum dot devices. Theory concludes from the observed transitions that the structural symmetry of the QDs is broken. Micro photoluminescence excitation spectroscopy combined with resonantly excited micro photoluminescence enables an optical access to the single particle states of the hole without the influence of few-particle coulomb interactions. Based on this knowledge the exciton binding energy of excited exciton states is accessible. From the shift of the exciton binding energy, when the hole is not in the ground state, but in the first or second excited states, conclusions on the shape of the wavefunctions can be drawn. Energy selective storage of charge carriers enables the access to few-particle binding energies of excited states also in quantum dot ensemble. The storage of charge carriers is refined to storage of defined spin states in the quantum dots. A technique for the deterministic preparation and readout is presented, what is of utmost importance for the realization of qubits for quantum computation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-21968
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2420
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2123
Exam Date: 20-Feb-2009
Issue Date: 27-Mar-2009
Date Available: 27-Mar-2009
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Anregungsspektroskopie
Austauschwechselwirkung
Halbleiterphysik
Photolumineszenz
Quantenpunkt
Exchange interaction
Excitation spectroscopy
Photoluminescence
Quantum dot
Semiconductor physics
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/
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