Intersubband transitions in low-dimensional nanostructures Many-body effects in quantum wells and quantum dots

Über den Einfluss von Vielteilchen-Streuung auf die Intersubband-Dynamik in niederdimensionalen Halbleitersystemen

  • This work is focused on the intersubband dynamics in low-dimensional semiconductor nanostructures. Using the Heisenberg equation of motion approach, theoretical investigations are made about the influence of many-particle interactions on the carrier dynamics. In particular, the role of the electron-electron- and electron-phonon interaction is studied in intersubband quantum wells, bulk-surface dynamics and intersublevel quantum dots. In an n-doped GaAs/AlGaAs quantum well system, the effect of tThis work is focused on the intersubband dynamics in low-dimensional semiconductor nanostructures. Using the Heisenberg equation of motion approach, theoretical investigations are made about the influence of many-particle interactions on the carrier dynamics. In particular, the role of the electron-electron- and electron-phonon interaction is studied in intersubband quantum wells, bulk-surface dynamics and intersublevel quantum dots. In an n-doped GaAs/AlGaAs quantum well system, the effect of the electron-electron interaction on the equilibrium distribution function is examined. Going beyond the second-order Markov approximation, it can be seen that Coulomb-induced correlations in the ground state lead to a renormalization of the equilibrium function, visible as a spectral broadening of the intersubband absorption spectra for low temperatures (T<50 K). Next, the non-equilibrium dynamics in intersubband quantum wells is investigated. First, focusing on appropriate detection schemes for ultrafast processes, a useful technique for the investigation of nonlinear dynamics, the two-dimensional Fourier transform spectroscopy, is proposed. After exciting the sample with a series of strong pulses, its response is visualized in a two-dimensional frequency spectrum as a function of the Fourier-transformed delay times of the pulses. To fully understand the physical processes that are invoked by the different pulse sequences, a diagrammatic method, the so-called double-sided Feynman diagrams, will be used to interpret the complex material response. In a next step the electron-phonon interaction is included. It is demonstrated that the two-dimensional photon echo signal of the non-equilibrium system reveals detailed information about the intersubband carrier relaxation. A quasi "natural" two-dimensional structure is the surface of a bulk. Within this thesis, the bulk-surface dynamics of silicon including the electron-electron- and electron-phonon interaction is calculated. Here, the longitudinal optical phonon dynamics is treated with a reduced Peierls equation derived from a full quantum kinetic model. To ease the immense numerical effort, an appropriate set of rate equations for the carrier dynamics is derived from the same model. The results are compared with recent experiments, where it will be seen that the coupling to the dominant longitudinal optical phonons leads to a prolonged lifetime of heated carriers. Restricting the material in three dimensions, the intersublevel dynamics of a single quantum dot is investigated with the focus on electron-phonon interaction. Due to the strong non-diagonal coupling between electrons and longitudinal optical phonons, a perturbative approach of the dynamics is not possible. Instead, the electron-phonon interaction is included up to an arbitrary order using an inductive method. The calculations of the absorption spectra are benchmarked on analytical models and show signatures of the diagonal as well as the strong non-diagonal electron-phonon coupling.show moreshow less
  • Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Intersubband-Dynamik in niederdimensionalen Halbleitersystemen. Mit Hilfe der Heisenbergschen Bewegungsgleichung werden verschiedene Vielteilchen-Effekte untersucht, insbesondere die Elektron-Elektron- und die Elektron-Phonon Wechselwirkung. Die Untersuchungen beinhalten Intersubbandübergange in Quantenfilmen, die Volumen-Oberflächendynamik in Silizium, sowie Intersublevelübergänge in einem Quantenpunkt. Zunächst wird ein n-dotierter GaAs/AlGaAs QuanteDie vorliegende Arbeit befasst sich mit der Intersubband-Dynamik in niederdimensionalen Halbleitersystemen. Mit Hilfe der Heisenbergschen Bewegungsgleichung werden verschiedene Vielteilchen-Effekte untersucht, insbesondere die Elektron-Elektron- und die Elektron-Phonon Wechselwirkung. Die Untersuchungen beinhalten Intersubbandübergange in Quantenfilmen, die Volumen-Oberflächendynamik in Silizium, sowie Intersublevelübergänge in einem Quantenpunkt. Zunächst wird ein n-dotierter GaAs/AlGaAs Quantenfilm im thermischen Gleichgewicht betrachtet und der Einfluss der Coulomb-Wechselwirkung der Ladungsträger auf das System im Grundzustand berechnet. Dazu wird die sonst übliche Markov Näherung in zweiter Ordnung störungstheoretisch erweitert, so dass Gedächtniseffekte erster Ordnung mitgenommen werden. Diese führen zu Coulomb-induzierten Korrelationen zwischen den Ladungsträgern im Grundzustand, welche eine Renormierung der elektronischen Gleichgewichtsverteilung bewirken. Der Effekt zeigt sich im Absorptionsspektrum als spektrale Verbreiterung der Linienbreite für tiefe Temperaturen (T<50 K). Als nächstes werden Nichtgleichgewichtsprozesse behandelt. Mit dem Augenmerk auf geeignete Detektionsschemata wird hier eine leistungsfähige Methode für die Detektion von ultraschnellen Prozessen in Intersubband Quantenfilmen vorgestellt, die zweidimensionale Fourierspektroskopie. Durch eine Folge von Pulsanregungen wird das resultierende Signal einer Probe bezüglich zweier Zeiten fouriertransformiert. Das daraus ermittelte zweidimensionale Frequenzspektrum beinhaltet Informationen über verschiedene Prozesse die in der Probe ablaufen. Um diese physikalischen Prozesse, welche von den Pulsfolgen und deren Phase abhängig sind, zu verstehen und zu separieren, wird hier eine diagrammatische Technik zur Betrachtung der makroskopischen Polarisation eingeführt, die sogenannten doppelseitigen Feynmandiagramme. Am Beispiel von Elektron-Phonon-induzierter Relaxationsdynamik wird das zweidimensionale Photon-Echo Signal des Intersubbandsystems berechnet. Hier zeigt sich, dass die zweidimensionalen Spektren detaillierte Informationen im Bezug auf korrelierte Frequenzen und somit auf die Verteilung im Impulsraum liefern. Eine quasi "natürliche" zweidimensionale Struktur ist die Oberfläche eines beliebigen Volumenhalbleiters. In dieser Arbeit wird die Volumen-Oberflächendynamik in Silizium unter dem Einfluss der Elektron-Elektron-, sowie Elektron-Phonon Wechselwirkung berechnet. Aufgrund der numerisch nicht durchführbaren Behandlung der vollen Quantenkinetik, werden von dieser ausgehend Relaxationsratengleichungen abgeleitet, welche allgemein für Langzeitdynamiken, z.B. in Lasern, genutzt werden. Im Gegensatz dazu wird die Dynamik longitudinal optischer Phononen mit Hilfe der reduzierten Peierls Gleichung berechnet, welche noch quantenkinetische Effekte enthält. Die numerischen Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen, woraus hervorgeht, dass die Kopplung der Elektronen an die dominante longitudinal optische Phononmode zu einer verlängerten Lebenszeit heißer Ladungsträger führt. Die Restriktion der Ladungsträgerbewegung in drei Dimensionen führt zu Quantenpunkten. Hier liegt das Hauptaugenmerk auf den Intersublevelübergängen im Leitungsband unter dem Einfluss longitudinal optischer Phononen auf die Elektronen. Aufgrund der starken nichtdiagonalen Kopplung zwischen Elektronen und Phononen kann hier keine störungstheoretische Methode angewendet werden. Stattdessen wird eine Induktionsmethode für die Berechnung der Bewegungsgleichungen verwendet, welche die Elektron-Phonon Kopplung in beliebig hoher Ordnung behandelt. Die Richtigkeit des Modells wird zunächst an den Grenzfällen bekannter analytischer Modelle geprüft. Anschließend werden Absorptionsspektren berechnet, welche deutliche Signaturen von diagonaler und nicht-diagonaler starker Kopplung aufweisen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thi Uyen-Khanh Dang
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37701
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. Andreas Knorr
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/12/05
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/12/16
Release Date:2012/12/05
Tag:Intersubbandübergänge; Quantenfilm; Quantenpunkt
intersubband transitions; quantum dot; quantum well
Institutes:Institut für Theoretische Physik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)