Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2003
Programm und Abstracts der Sitzung HL 49

Time-resolved study of equilibration between edge channels in the quantum Hall regime

•Gennadiy Sukhodub, Frank Hohls und Rolf Haug
Institut für Festkörper Physik, Universität Hannover, Appelstraß e 2, D-30167 Hannover, Germany

Time domain measurements of electric pulse propagation in the quantum Hall system allow the investigation of transient phenomena of edge state transport. In a specially designed GaAs/AlGaAs sample selective population and detection of edge channels has been realized. An electric pulse with a very steep leading edge is injected into one subsystem of the edge channel structure. After an interaction of these excited edge channels with not excited ones over a distance of 200 mm an electrical current in both subsystems could be simultaneously detected by a two-channel digital oscilloscope. Therefore, this setup allows to obtain information about the current distribution over various edge channels as well as the time scale of the scattering events between them. First experiments dealing with the integral quantum Hall effect are presented.

Incompressible Quantum Liquid and Composite Fermions

•U. Schmitt und G. Meissner
Theoretische Physik, Universität des Saarlandes, Postfach 15 11 50, D-66041 Saarbrücken

Dispersion relations for low-energy collective excitations of Laughlin's incompressible quantum liquid with fractional filling factor one third and of Composite Fermions with the corresponding filling factor one, respectively, are derived using a many-body approach. Modifications due to finite thickness effects of the interacting two-dimensional electron system in high perpendicular magnetic fields are discussed in view of a comparison of the calculated dispersion relations with inelastic light-scattering experiments.

Density of states of Composite Fermions in a random magnetic field

•Riccardo Mazzarello, Stefan Kettemann, Eros Mariani und Bernhard Kramer
I.Institut fuer Theoretische Physik, Universitaet Hamburg, 20355 Hamburg, Germany

In the Composite Fermion (CF) theory of the Quantum Hall Effect, electrons are transformed into particles with statistical flux attached to them. CFs experience a fictitious, statistical magnetic field proportional to their density in addition to the external one. The presence of a random potential induces fluctuations in the CFs density which give rise to a static Random Magnetic Field (RMF). We study the density of states of CFs subject to a RMF with non-zero, large mean B_m. A simple explanation of the dependence of the width of Landau bands on the mean B_m is provided. Our results are in agreement with the semiclassical results of E. Altshuler et al.[1].

[1] E. Altshuler, A. G. Aronov, A. D. Mirlin and P. Woelfle, Europhys. Lett. 29, 239 (1995)

Relaxation oscillations in a quantum Hall device influenced by the dynamic breakdown hysteresis of the QHE

•A. Buß¹, N.G. Kalugin¹, B.E. Sagol¹, Ch. Stellmach¹, A. Hirsch¹, G. Nachtwei¹ und G. Hein^2
1Institut für Technische Physik, Mendelsohnstr.2, D-38106 Braunschweig
²Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, D-38116 Braunschweig

We investigated an oscillator based on a quantum Hall Corbino device. Because of the bistable behaviour in the breakdown region we were able to use the Corbino device as a switch, which opens at a certain voltage V_max and closes at a lower fixed voltage V_min. Using a simple scheme, including a serial resistor and a parallel capacitor we measured relaxation oscillations in a certain working range of the applied voltage. We developed a model for the voltage dependent behaviour of the oscillation frequency.The amplitude of the oscillations was much bigger than the hysteresis we measured in DC-regime. Therefore, we investigated the frequency dependence of the hysteresis by using low frequencies ( < 1-1kHz), and found a strong increase of the upper hysteresis limit V_max at low frequencies ( DC < f < 20-30Hz), whereas the lower limit V_min remained almost constant. This observation is consistent with the assumption of a decrease of the hopping conductivity with increasing frequency, related to a corresponding reduction of the localization length. We applied this assumption within a hot-electron model to explain the dynamic hysteresis at the breakdown of the QHE.

Renormalization group approach to energy level statistics at the integer quantum Hall transition

•Philipp Cain¹, Mikhail E. Raikh², Rudolf A. Römer³ und Michael Schreiber^1
1Institut für Physik, Technische Universität, D-09107 Chemnitz
²Department of Physics, University of Utah, Salt Lake City, UT 84112, U.S.A.
³Department of Physics, University of Warwick, Coventry CV4 7AL, UK

We extend the real-space renormalization group (RG) approach to the study of the energy level statistics at the integer quantum Hall (QH) transition. To obtain information about the level statistics, we analyze the evolution of the distribution of phases of the amplitude transmission coefficient upon a step of the RG transformation. From the fixed point of this transformation we extract a critical level spacing distribution (LSD) which is somewhat different from earlier large-scale simulations. We find that away from the transition the LSD crosses over towards a Poisson distribution. Studying the scaling behavior of the LSD around the QH transition, we extract the critical exponent n = 2.37±0.02 very close to the value established in the literature. This provides additional evidence for the surprising fact that a small RG unit, containing only five nodes, accurately captures most of the correlations responsible for the localization-delocalization transition at the QH transition.

[1] P. Cain, R. A. Römer, and M. E. Raikh, ArXiv: cond-mat/0209356.

Dispersionsrelation in einem durch eine Barriere unterbrochenem Quanten-Hall-System

•Matthias Habl und Werner Wegscheider
Institut für exp. und angew. Physik, Universität Regensburg, D-93040 Regensburg

Kang et al [1] haben den Transport zwischen zwei lateral benachbarten zweidimensionalen Elektronensystemen im senkrechten Magnetfeld untersucht. Bei den verwendeten Flußdichten galt für die Höhe der Tunnelbarriere: V₀ >> (^h/_2p)w_c. An den Kreuzungspunkten der Dispersionsrelationen des linken und des rechten Elektronensystems existieren in diesem Fall kleine Energielücken (D << (^h/_2p)w_c) als Folge der Kopplung der entgegengesetzt laufenden Randkanäle. Wir zeigen insbesondere für niedrige Barrieren das Energiespektrum des Gesamtsystems als Ergebnis einer exakten quantenmechanischen Rechnung ohne Berücksichtigung von Wechselwirkung. Als Lösungsansatz für die Schrödingergleichung dient eine geeignete Überlagerung von parabolischen Zylinderfunktionen. Bei niedrigem Aluminium-Gehalt in der AlGaAs-Barriere hat man am Fermi-Niveau zwischen benachbarten Landau-Bändern eine Energielücke D in der Größenordnung von (^h/_2p)w_c. In diesem Fall läßt sich die Dispersionsrelation nicht mehr einfach als Überlagerung zweier zueinander spiegelsymmetrischer Energiespektren mit Energielücken zur Aufhebung der Entartung darstellen. Unser Projekt wird unterstützt vom DFG Schwerpunktsprogramm 1092 Quanten-Hall-Systeme.

[1] W. Kang et al, Nature 403, 59 (2000)

Photoluminescence Rings in a Corbino disk under QHE Conditions

•Vít Novák^1,2, Pavel Svoboda¹, Miroslav Cukr¹, Werner Wegscheider² und Wilhelm Prettl^2
1Institute of Physics AS CR, Cukrovarnická 10, Prague, Czech Republic
²Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Regensburg

Modulation doped AlGaAs/GaAs heterojunctions in Corbino disk sample geometry have been cooled down to liquid Helium temperature and homogeneously illuminated by a weak interband light. Band gap photoluminescence of the sample has been imaged onto an IR-sensitive CCD camera. Initially homogeneous photoluminescence becomes spatially modulated, if a strong magnetic field is applied perpendicular to the junction. The modulation has the form of one or more concentric rings which travel across the sample upon changing the magnetic field strength. Clear coincidence can be found between the observed PL-rings and an inhomogeneous electron density redistributed among the Landau levels. This behavior can be understood in terms of a simple model taking into account the presence of an equipotential layer adjacent to the quantum well.

Ungewöhnliche Magnetowiderstandseffekte in (Ga,Mn)As/MnAs Hybridstrukturen

•S. Ye, P.J. Klar, W. Heimbrodt, M. Lampalzer und W. Stolz
FB Physik und WZMW, Philipps-Universität Marburg

MnAs besitzt eine Curietemperatur von etwa 320 K. Das Hybridsystem bestehend aus einer (Ga,Mn)As Matrix und darin eingeschlossenen MnAs Clustern wohldefinierter Orientierung weist deshalb Ferromagnetismus bei Raumtemperatur auf. Dies ist bisher nicht möglich in (Ga,Mn)As Mischkristallen, wo die höchsten gemessenen Curietemperaturen immer noch kleiner als 150 K sind. Eine Curietemperatur über Raumtemperatur ist eine Grundvoraussetzung für die Anwendung eines Materials als Spinausrichter in der Spintronik. Mittels Magnetotransportmessungen im Temperaturbereich von 2 K bis 300 K und externen Magnetfeldern bis 10 Tesla haben wir die Wechselwirkung zwischen den ferromagnetischen MnAs Clustern und den Ladungsträgern in der (Ga,Mn)As Matrix untersucht. Die Stärke der Magnetowiderstandseffekte hängt sehr stark von der Größe der Cluster, von der Dotierung der Matrix als auch von der Messgeometrie ab. Die Ursachen für diese Effekte werden diskutiert.

Untersuchung von ferromagnetischen Elektrodenstrukturen zum spin-polarisierten Transport

•René Eiselt, Christian Uhrich, Guido Meier und Ulrich Merkt
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Jungiusstraße 11, 20355 Hamburg

Wir haben ferromagnetische Elektroden in unterschiedlicher Geometrie und Größe auf GaAs-Heterostrukturen präpariert. Mit Hilfe der Mikro-Hall-Magnetometrie wurden die Elektroden bezüglich ihres mikromagnetischen Verhaltens und der von ihnen ausgehenden Streufelder untersucht [1,2]. Zudem wurde die Domänenstruktur der Elektroden ortsaufgelöst mit einem Magnetkraft-Mikroskop analysiert. Die in gleicher Geometrie strukturierten Elektroden wurden für Transportmessungen an das zweidimensionale Elektronensystem von InAs-Heterostrukturen elektrisch angeschlossen. Bei tiefen Temperaturen wurde an diesen Hybridstrukturen der Transport in parallel und senkrecht zur Stromrichtung angelegten Magnetfeldern gemessen. Es ist geplant, solche Messungen auch an Hybridstrukturen mit lateral eingeengtem Kanal durchzuführen.

[1

Spinventileffekt in Ferromagnet-Halbleiter-Hybridstrukturen

•Alexander van Staa, Marcus Steiner, Guido Meier, Toru Matsuyama und Ulrich Merkt
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Jungiusstraße 11, 20355 Hamburg

Wir untersuchen die Injektion und Detektion von spinpolarisierten Elektronen an Ferromagnet-Halbleiter-Ferromagnet-Hybridstrukturen. Die Elektroden werden aus Permalloy (Ni₈₀Fe₂₀) gefertigt. Durch ihre unterschiedliche Geometrie werden die quasi-eindomänigen Elektroden bei verschiedenen Koerzitivfeldern ummagnetisiert. Das Umschaltverhalten wird mittels Magnetkraftmikroskopie in externen Magnetfeldern untersucht. Als Halbleiter wird eine InAs-Heterostruktur verwendet, die ein quasi-zweidimensionales Elektronengas enthält. Es werden Beweglichkeiten von bis zu 170.000 cm²/Vs erreicht, so daß der Transport der Elektronen im Halbleiter ballistisch erfolgen kann. Wir haben verschiedene Strukturen mit unterschiedlicher Grenzflächenqualität präpariert, an ihnen Magnetotransportexperimente bei tiefen Temperaturen durchgeführt und einen Spinventil Magnetowiderstandseffekt gemessen.

Magnetfeldinduzierter photogalvanischer Effekt in III/V-Quantentrögen

•S.D. Ganichev¹, V.V. Bel'kov², M. Sollinger¹, Petra Schneider¹, S.A. Tarasenko², E.L. Ivchenko² und W. Prettl^1
1Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Regensburg, 93040 Regensburg
²A. F. Ioffe Physico-Technical Institute, RAS, St. Petersburg, 194021, Russia

In (001)-orientierten n-InAs und GaAs-Quantentrögen wurde ein durch ein äußeres magnetisches Feld induzierter photogalvanischer Effekt beobachtet. Unter linear polarisierter IR- oder FIR-Bestrahlung senkrecht zum Quantentrog entsteht ein elektrischer Strom, sobald man ein magnetisches Feld senkrecht zum Lichtstrahl und parallel zur Ebene des Quantentrogs anlegt. Der Strom fließt in Schichtebene senkrecht zum magnetischen Feld. Dies steht im Gegensatz zum Spingalvanischen Effekt¹, bei dem, durch zirkular polarisierte Strahlung verursacht, ein Strom parallel zum magnetischen Feld fliesst. induziert direkte optische Übergänge. Der beobachtete Effekt wird durch k-lineare Spin-Bahn-Aufspaltung und der Verschiebung des Elektronen-Energiespektrums in einem magnetischen Feld verursacht.

[1] S.D. Ganichev, E.L. Ivchenko, V.V. Bel'kov, S.A. Tarasenko, M. Sollinger, D. Weiss, W. Wegscheider and W. Prettl, Nature (London) 417, 153 (2002).

Spininjektion in einen einzelnen Quantenpunkt

•H. Schömig¹, J. Seufert¹, G. Bacher¹, A. Forchel¹, L. Hansen², G. Schmidt² und L.W. Molenkamp^2
1Technische Physik, Universität Würzburg, Am Hubland, 97074 Würzburg
²Experimentelle Physik III, Universität Würzburg, Am Hubland, 97074 Würzburg

Nach dem erfolgreichen Nachweis der Spininjektion in einen Halbleiter mittels eines semimagnetischen Spinaligners [1], scheint es sehr attraktiv dieses Konzept auf einzelne Quantenpunkte zu übertragen. Dies sollte die Präparation und Kontrolle einzelner spinpolarisierter Ladungsträger ermöglichen.
Wir demonstrieren die effiziente Spininjektion in einen einzelnen CdSe/ZnSe-Quantenpunkt mittels eines BeMnZnSe-Spinaligners. Die Magneto-Photolumineszenz eines mittels Nanoapertur selektierten Einzel-Quantenpunktes wurde bei unpolarisierter optischer Anregung studiert. Die Polarisation der Grundzustandsemission dient als Monitor für den Spinzustand der e-h-Paare. Es zeigt sich ein starker Anstieg des Polarisationsgrades im Magnetfeld, wenn man von quasi-resonanter Anregung im Quantenpunkt zu einer Anregung oberhalb des Spinaligners geht. Dies bedeutet, dass der Spin der im BeMnZnSe-Aligner generierten e-h-Paare sehr effektiv polarisiert und in den Quantenpunkt-Grundzustand transportiert wird. Es konnte eine Spininjektionseffizienz von 70% ermittelt werden.

[1] R. Fiederling et al., Nature 402, 787 (1999).

Gradient in Ladungsträgerdichte und Curie Temperatur in ferromagnetischen GaMnAs Schichten

•S. Frank¹, A. Koeder¹, W. Schoch¹, V. Avrutin¹, W. Limmer¹, K. Thonke¹, R. Sauer¹, M. Krieger², K. Zuern², P. Ziemann², S. Brotzmann³, H. Bracht³ und A. Waag^1
1Abt. Halbleiterphysik, Universität Ulm, D-89069 Ulm
²Abt. Festkörperphysik, Universität Ulm, D-89069 Ulm
³Institut für Materialphysik, Universität Münster Wilhelm-Klemm-Str. 10, D-48149 Münster

In unserem Beitrag möchten wir die magnetischen und elektronischen Eigenschaften von MBE gewachsenen GaMnAs Schichten diskutieren.
Ladungsträgerdichte und Mn Konzentration sind in dem semimagnetischen Halbleiter GaMnAs die Parameter, welche die Curietemperatur entscheidend beeinflussen:

T_C » x·p^1/3. Ein ausgeprägter vertikaler Gradient in der Ladungsträgerdichte innerhalb einer Schicht wurde mittels ECV bzw. Raman Messungen nachgewiesen, wohingegen durch HRXRD Messungen ein Gradient in der Mn Konzentration ausgeschlossen werden konnte. Durch Squid Messungen an einer zu unterschiedlichen Tiefen geätzten GaMnAs- Schicht wurde dabei eine Abnahme der Curietemperatur von der Oberfläche zur GaMnAs/GaAs Grenzschicht festgestellt. Diese Änderung der Curietemperatur innerhalb einer GaMnAs Schicht kann auch die allgemein beobachtete Abweichung der Form der Magnetisierungskurven vom eigentlich zu erwartenden Curie-Weiss-Verhalten in diesem Materialsystem erklären. Detaillierte Anpassungen der Magnetisierungskurven werden präsentiert.

Rashba spin-orbit interaction in mesoscopic rings

•Frank E. Meijer, Alberto F. Morpurgo und Teun M. Klapwijk
Delft University of Technology, Lorentzweg 1, 2628CJ Delft, The Netherlands

The possibility to create spin polarization in semiconductor heterostructures and controlling the spin-direction will lead to new spin-based devices, in contrast to traditional charge-based devices. We focus on a mechanism that can control the spin-direction electrically, called Rashba spin-orbit (SO) interaction. We have studied theoretically the effect of strong SO interaction in a multi-mode ring. Its behaviour is completely different from a single-mode ring or 2D plane due to band-mixing between bands with opposite spins. This results in spin persistent currents in the ring, but not in spin-polarization or spin-accumulation. By applying a magnetic field perpendicular to the ring, the clockwise and anti-clockwise currents are spatially separated. We show numerically that the resulting lowest edge states have essentially parallel spin. This results in partly spin-polarized edge currents and a finite local spin-accumulation. These results are not limited to a quasi-1D ring structure, but also hold for a quasi-1D wire.

Ladungsträgerdynamik in ZnS:Mn Filmen

•Th. Raker und T. Kuhn
Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Festkörperphysik, Wilhelm Klemm Str. 10, 48149 Münster

Wechselspannungsgetriebene mangandotierte ZnS Filme, die zwischen zwei dielektrischen Schichten eingebettet sind, werden als Elektrolumineszenz-Bauelemente eingesetzt. Diese Systeme zeigen ein komplexes dynamisches Verhalten der Lumineszenz in Abhängigkeit von Form und Frequenz der Treiberspannung verursacht durch starke nichtlineare Prozesse wie Feldabschirmung durch Raumladung und Stoßionisation. Wir präsentieren theoretische Ergebnisse zum longitudinalen Transport in diesen Strukturen. Die Simulationen basieren auf einem gekoppelten Drift-Diffusions Modell für Elektronen, freie und gebundene Löcher. Im Gegensatz zu den in der Literatur üblichen Modellen werden die Transitzeit, Einfangraten und Sättigungseffekte vollständig berücksichtigt. Wir zeigen Strom-Spannungs Kennlinien, an denen der Einfluß der Feldabschirmung auf die Transporteigenschaften des Filmes deutlich wird. So zeigen z.B. die Kennlinien nur im Falle einer schnellen Änderung der Treiberspannung eine Hysterese.

Schwache Lokalisierung in zweidimensionalen InAs Elektronensystemen

•Christoph de Beer, Christopher Schierholz, Guido Meier, Toru Matsuyama und Ulrich Merkt
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Jungiusstrasse 11, 20355 Hamburg

Wir zeigen Messungen des Magnetowiderstands von zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES) in InAs bei hohen und niedrigen Magnetfeldern und in Abhängigkeit einer Gatespannung. Dazu haben wir Feldeffekt-Transistoren in Corbino Geometrie auf p-Typ InAs-Einkristallen präpariert, die ein 2DES an der Oberfläche aufweisen. In hohen Magnetfeldern treten Shubnikov-de Haas Oszillationen mit Schwebungsmustern auf, aus denen wir die Stärke der Spin-Bahn Wechselwirkung bestimmen. Bei niedrigen Feldern treten schwache Lokalisierung und Antilokalisierung auf, aus denen die elastische, die inelastische und die Spin-Bahn Streuzeit des 2DES berechnet werden können. Dies ist für die Spin-Elektronik besonders interessant, da hier die Verhältnisse zwischen den Streuzeiten und die Beeinflussung der Spin-Bahn Wechselwirkung durch äuß ere Parameter von entscheidender Bedeutung sind. Wir analysieren unsere Messdaten nach dem Modell von Hikami, Larkin und Nagaoka [1]. Als nächsten Schritt werden wir Messungen an InAs Heterostrukturen mit Front- und Backgate durchführen. Hierdurch soll eine Beeinflussung des Bandverlaufs ohne Veränderung der Ladungsträgerdichte erreicht werden.

[1] C. Schierholz, R. Kürsten, T. Matsuyama, G. Meier, and U. Merkt, Phys. Stat. Sol. (b) 233, 436 (2002).

Thermoelectric Properties of Disordered Systems

•Rudolf A. Römer¹, Angus MacKinnon² und Cristine Villagonzalo^3
1Department of Physics, University of Warwick, Coventry CV4 7AL, UK
²Blackett Laboratory, Imperial College, London SW7 2BW, UK
³National Institute of Physics, University of the Philippines, Diliman, Quezon City 1101, Philippines

The electronic properties of disordered systems have been the subject of intense study for several decades. Thermoelectric properties, such as thermopower and thermal conductivity, have been relatively neglected. A long standing problem is represented by the sign of the thermoelectric power. In crystalline semiconductors this is related to the sign of the majority carriers, but in non-crystalline systems it is commonly observed to change sign at low temperatures. In spite of its apparent universality this change has been interpreted in a variety of ways in different systems. We have developed a Green's function recursion algorithm [1] based on the Chester-Thellung-Kubo-Greenwood formula for calculating the kinetic coefficients L_ij on long strips or bars. From these we can deduce the electrical conductivity s, the Seebeck and Peltier coefficients S & P and the thermal conductivity k, as well as the Lorenz number L₀. We present initial results for 1D, 2D and 3D systems. In 1D we observe a Lorentzian distribution for the thermopower which is modified by the presence of inelastic scattering. This could give rise to non-negligible quantum fluctuations in macroscopic systems at low temperatures.

[1] R. A. Römer, A. MacKinnon and C. Villagonzalo, accepted for publication in J. Phys. Soc. Japan, (2002)

Implantation magnetischer Ionen in GaAs/ Al_xGa_1-xAs Heterostrukturen

Sinan Uenluebayir, Alexander Melnikov, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, •Sinan Uenluebayir, Alexander Mel nikov, Dirk Reuter und Andreas D. Wieck
Angewandte Festkörperphysik, Ruhr-Universität Bochum D-44780 Bochum

Wir untersuchen den Einfluss magnetischer Ionen auf die elektrischen Transporteigenschaften eines 2-dimensionalen Elektronengases (2DEG). Zur Realisierung des 2DEG wird eine selektiv dotierte GaAs/Al_xGa_1-xAs Heterostruktur verwendet. Verschiedene Ionensorten (Mn, Dy, Co) mit hohem magnetischen Moment sowie als Referenz Gallium wurden mit der Technik der fokussierten Ionenimplantation in die Heterostruktur implantiert. Es wurden Dosen von 1 ×10⁹ cm^-2 bis 1 ×10¹³ cm^-2 verwendet, wobei die Ionenenergie zwischen 100 und 200 keV lag. Zur Beseitigung der Implantationsschäden wurde ein schneller thermischer Ausheilschritt (750 ^°C für 30 s) durchgeführt. Bei den temperaturabhängigen Transportmessungen wurde ein Minimum des Widerstandes bei 40 K bis 80 K beobachtet. Dieses Verhalten deutet auf das Auftreten des Kondo-Effektes hin.

Ballistic Transport in Mesoscopic Rectifyers

•Oliver Bendix, Ragnar Fleischmann und Theo Geisel
Max-Planck-Institut für Strömungsforschung, Bunsenstraße 10, D-37073 Göttingen

Recent experiments on symmetry-broken mesoscopic semiconductor structures on a two-dimensional electron gas have revealed an amazing rectifying effect in the transverse current-voltage characteristics with promising prospects for future applications [1]. In such systems, where the typical dimensions are shorter than the mean free path of the electrons, the electrons travel across the system ballistically. We present a model based on purely ballistic transport, which takes into account the dependence on energy of the number of current-carrying modes that gives a simple explanation of the rectifying effect [2].

[1] A. M. Song et al., PRL 80 (1998) 3831

[2] R. Fleischmann and T. Geisel, PRL 89 (2002) 16804

Kommensurabilitätsoszillationen in abstimmbaren Potenzialen unter interdigitalen Feldeffektelektroden

•Ditmar Schuster, Christian Weichsel, Sandra Schnüll, Christian Heyn und Wolfgang Hansen
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Jungiusstraße 11, 20355 Hamburg

Wir untersuchen das Verhalten von Kommensurabilitätsoszillationen eines zweidimensionalen Elektrongases in Abhängigkeit eines abstimmbaren periodischen Potenzials. Zwei gabelförmige ineinandergreifende Feldeffektelektroden aus Titan wurden mittels Elektronenstrahllithographie senkrecht zu dem stromführenden Kanal eines Hall-Bars definiert. Jeder Metallstreifen einer Elektrode hat eine Breite von 100 nm und einen Abstand von 100 nm zur nächsten Elektrode. Die Verwendung dieser interdigitalen Feldeffektelektroden erlaubt uns eine unabhängige Kontrolle über die Ladungsträgerdichte unter den Elektroden und über die Amplitude des elektrostatischen Potenzials. Bereits ohne Anlegen einer Spannung an die Elektroden zeigen unsere Messungen des longitudinalen Widerstandes deutlich das Auftreten von Kommensurabilitätsoszillationen bei Magnetfeldern zwischen 100 mT und 300 mT. Ihre Positionen und Amplituden sind sowohl von der Spannung zwischen den Elektroden und Elektronensystem als auch von der Spannungsdifferenz der Elektroden untereinander abhängig. Wir diskutieren diese Ergebnisse vor dem Hintergrund der Überlagerung eines kontrollierbaren elektrostatischen und eines intrinsischen Potenzials, das durch die Metallstrukturen auf der Halbleiteroberfläche z.B. durch Verspannungen entsteht.

Transport through few electron quantum dots

•Michael Tews und Daniela Pfannkuche
1. Institut für Theoretische Physik, Universität Hamburg, Jungiusstr. 9, 20355 Hamburg

We report on transport calculations through a spherical semiconductor quantum dot occupied by few electrons based on the Real-Time Transport Theory developed by Schoeller et al. [1]. Coulomb interaction within the quantum dot is fully taken into account by diagonalizing the dot Hamiltonian. We study the differential conductance in the regime of weak and intermediate coupling to the connecting leads for different electron-electron interaction strength.

Transport is dominated by sequential tunneling processes in the weak coupling regime and tunneling rates are described by Fermi's golden rule. They essentially reproduce the spectral weights assigned to a particular transport channel. Strongly correlated quantum dot states are characterized by small spectral weights. Their occupation leads to channel blocking in non-linear transport and as a consequence to characteristic negative differential conductance. On the other hand correlations are expected to play a less important role in the regime of intermediate coupling. In order to study transport in this regime co-tunneling processes are included.

[1] Herbert Schoeller and Gerd Schön, Phys. Rev. B 50, 18436 (1994)

Curved Two-Dimensional Electron Gases in InGaAs-Tubes and -Coils

•O. Schumacher, S. Mendach, Ch. Heyn, S. Schnuell, R. Anton und W. Hansen
Institut fuer Angewandte Physik, Jungiusstrasse 11, D - 20355 Hamburg

Thin pseudomorphically strained InGaAs/GaAs double-layer-films roll into tubes after they are released from the substrate by selective etching of an AlAs sacrificial layer. This mechanism, which was first presented by Prinz et al. for the Si/Ge system, can be used to form semiconductor tubes with diameters varying between some nanometers and some micrometers by adjusting the double-layer thickness and composition. We developed a lithographic method to control not only the diameter but also the length, orientation and location of the tubes. Furthermore, this method allows us to build coils with tuneable parameters including the coil spacing. We want to perform transport measurements on curved two-dimensional electron gases (2DEGs) with these structures. One challenge here is the integration of 2DEGs into the very thin tube walls. First results and the optimisation of the 2DEG layer sequence as well as structural investigations with transmission electron microscopy will be discussed.

Räumliche Dynamik des Transports von Exzitonen in GaAs basierenden Quantenfilmen und Übergittern

•T. Unkelbach, D. Tröndle, H. Zhao und H. Kalt
Institut für Angewandte Physik, Universität Karlsruhe (TH), 76128 Karlsruhe

Wir berichten über die Transporteigenschaften von Exzitonen in GaAs basierenden Mehrfachquantenfilmen und Übergittern. Wir benutzen einen Photolumineszenzaufbau mit Mikroskopobjektiv und einer Immersionslinse. Die Ortsauflösung beträgt das 0,4-fache der benutzten Wellenlänge. Zur Detektion verwenden eine einem Spektrometer nachgeschaltete CCD Kamera. Die spektrale Information erhalten wir hierbei aus der horizontalen, die räumliche aus der vertikalen Achse des aufgenommenen zweidimensionalen Lumineszenzbildes. Mit diesem Aufbau untersuchen wir die Überschussenergie-, Anregungsintensitäts- und Temperaturabhängigkeit des Transports.

Bruchkontakt-Tunnelspektroskopie an dotierten Halbleitern

•Barbara Sandow¹, Olaf Bleibaum², Kurt Gloos³ und Walter Schirmacher^4
1Institut für Experimentalphysik, Freie Universität,, Arnimallee14, D-14195 Berlin
²Department of Physics and Materials Science Institute, University of Oregon, Eugene, Oregon 97403, USA
³Nano Science Center, Niels Bohr Institute, Universitetsparken 5, DK-2100 Copenhagen, Denmark
⁴-Department E13, Technische Universität München, James Frank-Strasse 1, D-85747 Garching

Tunnelspektroskopie ist eine der empfindlichsten Messmethoden, um die elektronische Zustandsdichte von Festkörpern auszumessen. Wir haben die Technik mechanisch kontrollierter Bruchkontakte benutzt, um n-dotiertes Ge zu untersuchen. Dabei wird die Probe an einer wohldefinierten Stelle gebrochen und der Tunnelstrom quer zum Bruchkontakt gemessen. Der Transport in den verwendeten halbleitenden Proben findet zwischen lokalisierten Zuständen statt. Daher ist die Auswertung und Interpretation der Tunnelspektren wesentlich komplizierter als in Metallen. Wir haben daraufhin eine neue, auf den Fall des Hopping-Transports in dotierten Halbleitern zugeschnittene Theorie der Tunnelspektroskopie an solchen Bruchkontakten entwickelt. Mit Hilfe dieser Theorie versuchen wir die gemessenen Spektren zu analysieren.

Steady-state photocarrier grating technique for the determination of the minority-carrier diffusion length in microcrystalline silicon

•Rudolf Brüggemann und Oliver Kunz
Fachbereich Physik, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, 26111 Oldenburg

Microcrystalline silicon is an interesting semiconductor for opto-electronic devices like solar cells. The majority-carrier properties can be determined by measuring the photocurrent. For the minority carriers, the steady-state photocarrier grating technique allows the determination of the diffusion length. We applied this technique over a wide temperature range for different photogeneration rates. The results indicate that band tails of the valence band are much steeper than in amorphous silicon.

Quantenkinetik von LO-Phonon induzierten Übergängen zwischen Quantendraht- und Quantenpunktzuständen

•Markus Glanemann, V.M. Axt und T. Kuhn
Institut für Festkörpertheorie, WWU Münster

Wir untersuchen LO-Phonon induzierte Übergänge zwischen delokalisierten Quantendraht- und lokalisierten Quantenpunktzuständen auf ultrakurzen Zeit- und Nanometer Längenskalen.

Hierzu wird von einem quantenkinetischen Zugang Gebrauch gemacht, da dieser Formalismus sowohl die Unschärferelationen beinhaltet als auch unabhängig von der gewählten Basis ist. Im Rahmen des Dichtematrixformalismus betrachten wir sowohl in einem 1-Band- als auch in einem 2-Bandmodell die Dynamik eines Wellenpakets in einem Quantendraht mit eingebettetem Quantenpunkt.

Hierbei ergeben sich starke Abhängigkeiten des Ladungsträgereinfangs von der Form und den Reflexionseigenschaften des Quantenpunktpotenzials sowie der Breite des Wellenpakets. Des Weiteren zeigt sich, dass die Dynamik des Ladungsträgereinfangs durch ein zweites auf das Quantenpunktpotenzial zulaufendes Wellenpaket beeinflusst werden kann.

Ferner analysieren wir die Dynamik eines im Quantenpunktpotenzial erzeugten Wellenpakets in Abhängigkeit von den Systemparametern.

Elektron-Phonon-Quantenkinetik jenseits der Zweiten Bornschen Näherung

•Henning Lohmeyer, V.M. Axt und T. Kuhn
Institut für Festkörpertheorie, WWU Münster, Wilhelm-Klemm-Str. 10, 48149 Münster

Für ein Ein- und Zweiband-Modell eines idealisierten Quantendrahtes studieren wir die Relaxation der durch einen kurzen Puls räumlich homogen erzeugten Ladungsträger durch Wechselwirkung mit LO-Phononen in einer quantenkinetischen Beschreibung im Dichtematrixformalismus. Durch Mitnahme von Zweiteilchenkorrelationen und zweifach phononassistierten Dichtematrizen gehen wir über die üblicherweise verwendete und in Dichtematrixtheorie als 2. Bornsche Näherung (2BN) bezeichnete Stufe hinaus. Der Einfluss dieser Erweiterungen (die sog. 4. Bornsche Näherung 4BN) wird mit der 2BN mit und ohne einer selbstkonsistenten Dämpfung für verschiedene Anregungsbedingungen verglichen.

Bereits für GaAs-Materialparameter ergibt die 4BN eine merkliche Relaxation der Löcher unterhalb der LO-Schwelle. Mit steigendem Kopplungsparameter zeigt sich der Einfluss von Zwei-Phonon-Prozessen.

Linear Transmission and Coherent Control of Polariton Modes in ZnSe nanostructures

•Iryna Kudyk, Tobias Voß, Hans Georg Breunig, Ilja Rückmann und Jürgen Gutowski
Institut für Festkörperphysik, Universität Bremen, Otto-Hahn-Allee, 28359 Bremen

Optical properties of semiconductor nanostructures are strongly affected by the presence of different polariton modes which result from the coupling between the light field and the excitonic polarization. We study the influence of these polariton modes in ZnSe layers with different thicknesses by linear transmission spectroscopy and analyze the polariton effects on the propagation of a single 100 fs pulse through the sample. By additionally applying the coherent-control technique to the transmission experiment we selectively enhance and suppress the influence of certain polariton modes. The coherent control is achieved by use of a phase-locked pair of 100 fs laser pulses. The transmitted pulses as well as the polaritonic polarization are detected with an up-conversion technique which provides a real-time resolution of less than 50 fs. The results are compared with numerical calculations based on a phenomenological model.

Mechanisms of Exciton Spin Relaxation in SC Quantum Dots

•Elena Tsistishvili¹, Ralph von Baltz¹ und Heinz Kalt^2
1Institut für Theorie der Kond. Materie, Univ. Karlsruhe
²Institut für Angewandte Physik, Univ. Karlsruhe

The discrete nature of the energy spectrum in semiconductor quantum dots (QD's) leads to a strong suppression of spin relaxation which has been recently confirmed by Paillard et al. [1] for exciton states at low temperatures T < 10 K. However, a rapid LO phonon-mediated decay occurs for T > 30 K.

We propose a second order quasi-elastic interaction between the exciton ground state doublet and excited states via LO phonons [2]. Essential ingredients are: Anisotropic exchange splitting of the exciton, mismatch between the first excited exciton state and the LO phonon, and the LO phonon dispersion. Estimated decay times of a few tens of picoseconds at 100K, are in agreement with experiment[2].

At low temperatures a strong increase of the exciton-spin relaxation with magnetic field has been found [3,4]. Here, we propose a phonon - spin coupling mechanism due to an interplay of the exchange interaction and lattice deformations by acoustic phonons. Typically decay times are of the order of 3 ns at B=8T.

1. Paillard et al., Phys. Rev. Lett. 86, 1634 (2001).
2. Tsitsishvili et al., Phys. Rev. B 66, 161405(R), (2002).
3. Oka et al., Physica E 10, 315 (2001).
4. Verbin et al., phys. stat. sol. (b) 224, 545 (2001).

Fourieranalyse von Femtosekunden Pump-Probe-Spektren an der Bandkante von ZnSe

•Matthias Seemann¹, Frank Kieseling¹, Heinrich Stolz¹, Robert Franz², Thomas Klähn², Günter Manzke² und Klaus Henneberger^2
1Universität Rostock, FB Physik, AG Halbleiterphysik, 18051 Rostock
²Universität Rostock, FB Physik, AG Halbleitertheorie, 18051 Rostock

Die Trennung des Streuuntergrundes von dem mit schwachem Probe-puls erhaltenen Reflexionsspektrum kann durch Fourieranalyse des Spektrums erfolgen. Die ZnSe-Epitaxieschicht wird optisch resonant mit einem Pumppuls angeregt. Der Testpuls ist eine zeitverzögerte abgeschwächte nicht-kollineare Kopie des Pumppulses. Aus dem aufgenommenen Reflexionsspektrum kann nach einer Fouriertransformation der zeitverzögerte Beitrag isoliert werden, der angibt, ob die gepumpte Anregung (Elektron-Loch-Plasma) und der Testpuls in der Probe kohärent wechselwirken. Mit dem gleichen Verfahren kann das instantane Abschalten der durch den Testpuls erzeugten Interbandpolarisation durch den verzögerten Pumppuls beobachtet werden.

Das Verhalten der Reflexion wird für den nicht gepumpten Halbleiter mit einer Lorentz-verbreiterten Elliot-Formel für die dielektrische Funktion (DF) unter Einbeziehung der räumlichen Dispersion beschrieben. Im vorgepumpten Fall wird der Einfluß der Vielteilcheneffekte auf die DF im Rahmen der Halbleiter-Bloch-Gleichungen berücksichtigt.

Fano resonances in electronic transport through a nearly isolated quantum dot

•E. R. Racec^1,2, G. M. Stoian^1,2, P. N. Racec^1,3 und Ulrich Wulf^1
1Faculty 1, Brandenburg University of Technology Cottbus, Box 101344, 03013 Cottbus, GermanyP.O.
²Faculty of Physics, University of Bucharest, P.O. Box MG-11, 76900 Bucharest, Romania
³National Institute of Materials Physics, P.O. Box MG-7, 76900 Bucharest, Romania

We develop a theory of the conductance through a quantum dot taking properly into account the coupling between different channels. In the frame of the Landauer-Büttiker formalism we find the resonant contribution to the conductance of the dot, given by a Fano profile with a complex asymmetry parameter, and a non-resonant contribution. Varying the coupling strength between the quantum dot and the contacts (source and drain) we analyze the changes of the line shape for a fixed conductance maximum.

Transport through Carbon Nanotube Dots between Superconductors

•Wolfgang Belzig, Mark Buitelaar, Thomas Nussbaumer, Christoph Bruder und Christian Schönenberger
Universität Basel, Basel, Schweiz

We study resonant multiple Andreev reflections in a multiwall carbon nanotube quantum dots coupled to superconducting leads. The position and magnitude of the subharmonic gap structure is found to depend strongly on the level positions of the single-electron states which are adjusted with a gate electrode. We discuss a theoretical model of the device and compare the calculated differential conductance with the experimental data.

Tunneling through self-organized quantum dot stacks

•H. Sprekeler, G. Kieß lich, A. Wacker und E. Schöll
Institut für Theoretische Physik,Technische Universität Berlin,Hardenbergstr.36, 10623 Berlin

Recently, Bryllert et al. reported on tunneling experiments through single stacks of self-assembled quantum dots[1]. Their measurements reveal sharp peaks in the current-voltage characteristics, whose width is almost independent of temperature. We report on a theoretical investigation of the tunneling processes in such a device using a Green function approach. A two-dimensional numerical simulation assuming the quantum dots to be two-dimensional pyramids is compared to a reduced model regarding the stack as a biatomic molecule. The latter case can be solved analytically. The results of the calculations are in good agreement, proposing the formation of molecular orbits within the stack for certain bias ranges. We show that in this picture the current is dominated by transmission through molecular states. The width of the current peak can thus be associated with the bias range, in which these states exist. Furthermore we present calculations, which indicate that the formation of these states underlies selection rules, which limit the possible combinations of single dot levels.

[1] T. Bryllert, M. Borgstrom, T. Sass, B. Gustafson, L. Landin, L.-E. Wernersson, W. Seifert, and L. Samuelson, Appl.Phys.Lett. 80,2681(2002).

Modeling of the electron-wave diffraction by potential fluctuations in a 2DEG

•Elena G. Novik, Hartmut Buhmann und Laurens W. Molenkamp
Physikalisches Institut der Universität Würzburg, Am Hubland, 97074 Würzburg, Germany

The propagation of electrons in a two-dimensional electron gas (2DEG) is strongly affected by scattering potentials which originate from ionized remote donors. These potential fluctuations in the 2DEG plane have a long range character and are responsible for the quantum interference effects in the electronic transport [1]. Here, we present a quantum mechanical model based on the Green's function method to calculate the transmission probability of an electron beam between two quantum point contacts. In order to reproduce experimentally observed interference patterns the potential fluctuations were modeled. Potential heights, sizes, shapes and location were used as fitting parameters. Moreover, back-scattering effects from scattering centers and structure boundaries as well as temperature broadening and electron-electron scattering effects were included. The fitting gives a good approach for the microscopic properties of the potential fluctuations within the 2DEG plane and demonstrates that electron propagation in a 2DEG can be used as a local probe for these potential fluctuations. The average size is determined to be of the order of 70-160 nm, and the strength is found to vary from values comparable to the Fermi energy to values significantly above, which corresponds to expected correlations of

[different donor states within the donor layer.

1] J.J. Koonen, H. Buhmann and L.W. Molenkamp, Phys. Rev. Lett. 84, 2473 (2000).

Theory of the spin singlet electronic droplet in a lateral quantum dot

•Andreas Wensauer¹, Marek Korkusinski² und Pawel Hawrylak^2
1Institute for Theoretical Physics, University of Regensburg
²Institute for Microstructural Sciences, National Research Council Canada

We present results of Density-Functional Theory calculations of the electronic properties of the spin singlet electronic droplet at filling factor n = 2 in a lateral quantum dot as a function of the magnetic field B and the number of electrons N. The stability of the spin singlet droplet at high magnetic fields is determined by the spin flip excitation localized at the edge of the droplet. The stability at low magnetic fields is determined by a spin flip excitation involving one electron at the edge and one electron in the center of the droplet. We show that the spin singlet droplet vanishes at a critical number of electrons N_c. Above this critical number the even electron droplet evolves directly from a spin triplet state with one electron in the center and one in the edge to a state with spin polarized edge. We discuss how these spin transitions for even electron numbers combined with spin transitions for odd electron numbers manifest themselves in the addition and amplitude spectrum of a quantum dot in transport experiments. The results of our calculations are compared with recent experiments.

Reference: Ciorga, Wensauer, et al., PRL 88, 256804 (2002)

Theory for Quantum Dot Charge Qubits - Decoherence due to Cotunneling

•Udo Hartmann und Frank K. Wilhelm
Sektion Physik und CeNS, Ludwig-Maximilians-Universität, Theresienstr. 37, 80333 München

We analyze the decoherence of a two-state system (TSS) coupled to two baths being in mutual disequilibrium: a double quantum dot in the cotunneling regime at finite voltage. This system is treated using the Bloch-Redfield generalized master equation for the Schrieffer-Wolff transformed Hamiltonian. We show that the decoherence, characterized through relaxation or dephasing time can be controlled through the external voltage and that the optimum point where these times are maximum is not necessarily in equilibrium. We furthermore study the cotunneling transport through this system. We consider the case of weak coupling to the leads and a bias point in the Coulomb blockade. We study the system for arbitrary bias voltages below the Coulomb energy. We observe a rich, non-monotonic behaviour of the stationary current depending on the internal degrees of freedom. In particular, it turns out that at fixed transport voltage, the current through the system is largest at weak-to-intermediate inter-dot coupling.

Single electron tunneling in freely suspended phonon cavities

•Daniel Schröer¹, Eva Höhberger¹, Robert Blick¹, Jörg Kotthaus¹ und Werner Wegscheider^2
1Center for NanoScience und Sektion Physik der Ludwigs-Maximilians-Universität München, 80539 München
²Institut für Angewandte und Experimentelle Physik der Universität Regensburg, 93040 Regensburg

We integrate quantum dots in phonon cavities for studying single electron phonon interaction. This is achived by embedding two lateral tunnel coupled quantum dots in a freely suspended semiconductor nanostructure. The shape of the quantum dots is defined by electron beam lithography within the two dimensional electron gas of a GaAs/AlGaAs heterostructure. A sacrificial layer situated below allows for excavating the structure using a combined anisotropic and isotropic etch. Gate electrodes on the surface give control over the strength of tunnel barriers as well as the position of energy levels in the dots. The quantum dots are operated in the Coulomb blockade regime, allowing to observe single electron tunneling. Dimensional restrictions of the cavity cause a discretisation of phonon modes towards this direction and complete vanishing of the density of states for certain values of energy. Characteristic features of this discretisation should be recognisable in the quantum dot's inelastic tunnel current, giving direct evidence of the reduced phonon spectrum as well as the controlled electron phonon interaction.

Analysen des Ladungstransports in Silizium-Nanokristallit-Dünnschichten

•F. Voigt¹, R. Brüggemann¹, T. Unold¹, J.-P. Kleider², A. Colder³, F. Huisken³ und G.H. Bauer^1
1Fachbereich Physik, CvO-Universität Oldenburg, 26111 Oldenburg
²LGEP, CNRS, SUPELEC, Universités Paris VI et XI, France
³MPI für Strömungsforschung, Bunsenstrasse 10, 37073 Göttingen

Silizium-Nanokristallite (Si nc) mit (3 - 4) nm Durchmesser wurden durch CO₂-Laser-induzierte Dissoziation von SiH₄ in einem Flussreaktor erzeugt und auf Substraten deponiert. Nanokristalle dieser Art zeigen nach Oxidation der Oberfläche Photolumineszenz im sichtbaren Spektralbereich.

Während der Abscheidung von Si nc-Schichten wurden mit Hilfe von interdigitalen Au-Kontakten lineare Strom-Spannungs-Kennlinien gemessen. Es ergibt sich ein Schwellwert d₀, nach dessen Überschreiten der Strom linear mit der Schichtdicke d ansteigt. Aufgrund der sehr porösen Struktur der Schichten zerfällt der Transport also in zwei Regime:

i) d < d₀: perkolativer Transport.

ii) d > d₀: Der Strom I wächst bei konstanter Spannung entsprechend I(d) = A (d-d₀) linear an. Die Raumtemperatur-Leitfähigkeit beträgt s_RT » 10^-7W^-1m^-1.

Ex-situ ergibt sich ein thermisch aktivierter Transport durch Schichten aus oxidierten Si nc mit einer Aktivierungsenergie E_a » 0.7eV.

Wir entwickeln ein Modell für perkolativen Transport. Der Zusammenhang zwischen s_RT und E_a wird diskutiert.

The Enhanced g-factor in a Quantum Wire

•Siawoosh Mohammadi¹, Alexander Struck¹, S. Ketteman¹, B. Kramer¹ und T. Brandes^2
1I. Institute ofTheoretical Physics, University of Hamburg,Germany
²Department of Physics, University of Manchester

We calculate the exchange enhanced Landé g-factor in the lowest Landau level in quantum wires subject to a strong homogeneous perpendicular magnetic field. Our calculations start from the model of Kinaret and Lee[1], in which the spin polarization is determined by the competition between exchange interaction and kinetic energy of the edge-channel electrons. We extend their approach by inclusion of the Hartree interaction in first order perturbation theory as well as by solving the self-consistent Hartree-Fock equations. The latter are mapped onto the spin-unrestricted Pople-Nesbet equations in order to resolve the spin-split Landau levels. We show that the critical electron density r_c, above which the total polarization breaks down, rises in the extended model, because the Hartree interaction, just as the exchange interaction, favors the full polarization. We find that this effect increases the g-factor at the critical density. The extended model and the original theory of Kinaret and Lee are compared to measurements by Pallecchi et al.[2], in which r_c is studied at varying strength of the confinement potential. With the aid of one fitting parameter the extended model accounts well, whereas the original theory fails about one order of magnitude.

[1] Jari M. Kinaret and Patrick A. Lee, Phys. Rev. B 42, 11768 (1990).

[2] I. Pallecchi et al. Phys. Rev. B 65, 125303.

Shot noise properties of self-assembled InAs quantum dots

•Niels Maire¹, André Nauen¹, Frank Hohls¹, Rolf J. Haug¹ und Klaus Pierz^2
1Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Abteilung Nanostrukturen, Appelstr. 2, D-30167 Deutschland
²Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesallee 100, D-38116 Deutschland

We present noise measurements on resonant single electron tunnelling through individual quantum dots (QDs). Our samples consist of a GaAs-AlAs-GaAs tunnelling structure with embedded InAs QDs. The resulting I-V curve is a step-like function where every current plateau can be linked to a single QD.[1] Analyzing the dependence of the shot noise as a function of bias voltage we observe an increase in between two current plateaus.[2] In contrast, on every plateau, where the current is determined by tunnelling through a single dot, we find a minimum of a. The suppression of shot noise when the current flows through a resonant state is in agreement with theoretical predictions [3]. Additionally the behaviour of the Fano factor off resonance is discussed.

[1] I. Hapke-Wurst, U. Zeitler, H. Frahm, A. G. M. Jansen, R. J. Haug and K. Pierz, Phys. Rev. B 62, 12621 (2000)

[2] A. Nauen, I. Hapke-Wurst, F. Hohls, U. Zeitler, R. J. Haug and K. Pierz, Phys. Rev. B 66, 161303(R) (2002)

[3] Ya. M. Blanter and M. Büttiker, Phys. Rep. 336, 1 (2000) and references therein

Backscattered Orbits in an Open Quantum Dot

•Roland Brunner¹, Ronald Meisels¹, Friedemar Kuchar¹, Koji Ishibashi² und Yoshinobu Aoyagi^2
1Department of Physics, University of Leoben, Austria
²Semiconducter Laboratory, RIKEN, Saitama, Japan

We perform magneto-resistance measurements on AlGaAs/GaAs quantum dots and observe a series of resistance maxima at low magnetic fields. In a model calculation using a parabolic anisotropic confinement potential (soft-wall) we demonstrate that these peaks may be associated with backscattered orbits. We compare our soft-wall calculations with those using a hard-wall potential [1]. While both models yield the same position of the two-reflections trajectory, the positions for the trajectories with more than two reflections differ. The experimental results agree significantly better with the soft-wall results, thus supporting this kind of confinement for open dots defined by split gate structures.

[1] Lin LH, Aoki N, Nakao K, Ishibashi K, Aoyagi Y et al., Physica E 7 750 (2000)

This work was supported by the Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung", Austria (project P15513).

Mustererkennungsverfahren zur Analyse von HRTEM Abbildungen komplexer Materialien

•Tore Niermann, Karsten Thiel und Michael Seibt
IV. Physikalisches Institut der Universität Göttingen und Sonderforschungsbereich 602, Bunsenstr. 13-15, D-37073 Göttingen, Deutschland

Erreichen die Strukturen komplexer Materialien (Halbleiterbauelemente, Tunnelbarrieren, ...) atomare Ausmaße, werden ihre physikalischen Eigenschaften zunehmend von den Grenzflächen bestimmt. Kenntnis über die Topologie und Zusammensetzung von vergrabenen Grenzflächen können auf atomarer Skala mittels hochaufgelöster Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) gewonnen werden. Variationen in der Probe führen mitunter zu kleinen Unterschieden in der Abbildung, die mit dem Auge nur schlecht oder garnicht erkennbar sind, wodurch eine intuitive Deutung der Abbildung erschwert wird.

Zur direkten Interpretation der Abbildungen wird eine neue Methode basierend auf Mustererkennungsverfahren vorgestellt. Das Verfahren vergleicht kleine Bildausschnitte untereinander, ohne auf ein der Abbildung zugrundeliegendes Gitter angewiesen zu sein. So lassen sich komplexe Strukturen untersuchen, wie anhand von Abbildungen kristallin/kristalliner und kristallin/amorpher Grenzflächen demonstriert wird.

Struktur der Grenzfläche zwischen amorphem Germanium und kristallinem Silizium

•Karsten Thiel¹, Nikolai Borgardt², Boris Plikat³, Tore Niermann¹ und Michael Seibt^1
1IV. Physikalisches Institut der Universität Göttingen und Sonderforschungsbereich 602, Bunsenstr. 13-15, D-37073 Göttingen, Deutschland
²Moscow Institute of Electronic Technologie, 124498 Moscow, Russland
³Infinion Technologies, Regensburg, Deutschland

Der strukturelle Übergang zwischen amorphen und kristallinen Materialien wird auf der Basis der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie mittels einer neuen Methode, die die Mittelung der Abbildungen entlang der Grenzfläche beinhaltet, am System a-Ge/c-Si untersucht[1]. Diese gemittelten Abbildungen können mit konventioneller Multi-Slice-Rechnung unter Zuhilfenahme einer zwei-dimensionalen Verteilungsfunktion, die auf der amorphen Seite durch die mittlere atomare Dichte an der Grenze und auf der kristallinen Seite durch die bekannten Positionen der Atome beschrieben wird, simuliert werden.

Ein unterstützender Ansatz wird durch die Rekonstruktion der Austrittswellenfunktion der Elektronen unterhalb der Probe im Elektronenmikroskop verfolgt[2]. Für das untersuchte System konnte eine gute Übereinstimmung zwischen der Annahme einer 1.4nm weitreichenden Übergangsschicht für die 2D-Verteilungsfunktion und der rekonstruierten Elektronenwelle gefunden werden.

[1] N.I. Borgardt et al., Ultramicroscopy 90 (2002), 241.

[2] A. Thust et al., Ultramicroscopy 64 (1996), 211.

Oberflächenanalyse von Gruppe II-Telluriden mittels Reflexions Anisotropie Spektroskopie

•J.W. Wagner¹, L. Hansen¹, C. Becker¹, J. Geurts¹, V. Wagner², M. Wahl³, T. Herrmann³, P. Vogt³, N. Esser³ und W. Richter^3
3Technische Universität Berlin, Institut für Festkörperphysik
¹Physikalisches Institut der Universität Würzburg, Experimentelle Physik III, Am Hubland, D-97074 Würzburg
²School of Engineering and Science, International University of Bremen

Gruppe II-Telluride sind für opto-elektronische Anwendungen sehr interessant, weil sie mit ihrer Energielücke den Bereich vom Ferninfraroten (FIR) (HgCdTe) bis hin zum Ultravioletten (UV) (BeTe) abdecken. Für die Herstellung hochwertiger Heterostrukturen sind Oberflächenqualität und Rekonstruktionen von wesentlicher Bedeutung. Reflexions Anisotropie Spektroskopie (RAS) bietet hierzu eine extrem schnelle Analysemethode und erlaubt in-situ monitoring von Veränderungen dieser Oberflächen (OF). Wir präsentieren RAS-Messungen im Energiebereich von 0,75 - 6,5 eV an folgenden OF: Te-reich (2x1) BeTe(100), Te-reich (2x1) CdTe(100), Te-reich (2x1) MnTe(100) und Hg-reich c(2x2) HgTe(100). Beim BeTe lässt sich ein temperatur-induzierter Übergang von der (2x1) in die (3x1) OF-Rekonstruktion beobachten. Zusätzlich lässt sich als Vorstufe die Wiederherstellung der reinen OF beim Entfernen einer Se/Te Schutzschicht analysieren.

Spin-sensitive bleaching: a microscopic approach

•Christian Lechner und Ulrich Rössler
Institut für Theoretische Physik, Universität Regensburg, 93040 Regensburg, Germany

In recent experiments on p-type quantum well (QW) structures a polarization-dependent saturation of far-infrared absorption was discovered [1]. These experiments, based on the photogalvanic effect [2], have been analyzed with a phenomenological theory, which accounts for spin-sensitive relaxation.

We present a microscopic theory for the saturation of the absorption in dependence on the light polarization. It is derived from the extended semiconductor Bloch equations, including spin and polarization degrees of Freedom [3], which are adapted to far-infrared excitation of p-doped QW. Employing Hartree-Fock truncation and assuming finite life-times of the single-particle states, we find the equations of motion for the spin-dependent density matrix of the hole system. Assuming quasi-equilibrium we can solve these equations to derive the nonlinear response to the FIR excitation with linear and circular polarization. The results are compared with the phenomenological theory presented in [1].

[1] S.D. Ganichev et al., Phys. Rev. Lett. 88, 057401 (2002)

[2] S.D. Ganichev et al., Appl. Phys. Lett. 77, 3146 (2000)

[3] U. Rössler, phys. stat. sol.(b) 234, 385 (2002)

Polariton-Propagation in dünnen Halbleiterschichten

•Stefan Schumacher, Gerd Czycholl und Frank Jahnke
Institut für Theoretische Physik, Universität Bremen

Wir diskutieren die Polariton-Propagation in dünnen, typischerweise einige Exziton-Bohrradien dicken, Halbleiterschichten. Zur mikroskopischen Beschreibung der Lichtpropagation im optisch linearen Regime wird das gekoppelte Lichtfeld-Exziton-Problem gelöst. Die Formulierung bzgl. der exzitonischen Eigenbasis gestattet im Gegensatz zu früheren Ansätzen eine direkte Lösung der Maxwell-Gleichungen unter Berücksichtigung der nichtlokalen exzitonischen Suszeptibilität mit erheblich geringerem numerischen Aufwand.

Der Übergang in die exzitonische Eigenbasis schafft darüberhinaus die Grundlage für eine Betrachtung der Polariton-Propagation im optisch nichtlinearen c⁽³⁾-Regime. Basierend auf dem DCT-Formalismus (dynamics-controlled truncation) können dabei alle Beiträge dritter Ordnung im optischen Feld berücksichtigt werden. Nichtlineare Beiträge durch biexzitonische Korrelationen werden ebenfalls in der exzitonischen Eigenbasis behandelt.

Intersubband absorption in p-type semiconductor quantum wells - influence of light polarization

•Josef Kainz¹, Ulrich Rössler¹ und Roland Winkler^2
1Institut für Theoretische Physik, 93040 Regensburg
²Institut für Technische Physik III, Staudtstr. 7, 91058 Erlangen

Recent experiments [1] on the spin-sensitive bleaching of the absorption in p-type semiconductor quantum wells (QW's) provide an alternative to the direct measurement of spin relaxation times. The absorption coefficient is an important prerequisite for the extraction of hole spin relaxation times from the experiments of Ref. [1]. We present calculations for the subband dispersion and the absorption coefficient for transitions between hole subbands in p-GaAs/AlGaAs QW's grown in (001) or (113) direction. Our results are obtained in the framework of the multiband envelope function approximation and the charge distribution in the QW's is self-consistently taken into account [2]. Furthermore, we investigate the dependence of the intersubband transitions on the (linear/circular) polarization of the exciting light in order to gain insight into the selection rules that determine the transitions on the subband level.

[1] S. D. Ganichev, S. N. Danilov, V. V. Bel'kov, E. L. Ivchenko, M. Bichler, W. Wegscheider, D. Weiss and W. Prettl, Phys. Rev. Lett. 88, 57401 (2002).

[2] R. Winkler and U. Rössler, Phys. Rev. B 48, 8918 (1993).

Temperaturabhängige Spektroskopie an GaInNAs/GaAs Quantentrogstrukturen und Bestimmung der optischen Verstärkung

•J. Kvietkova¹, A. Grau¹, K.C. Agarwal¹, M. Hetterich¹, A.Yu. Egorov², H. Riechert² und P. Gilet^3
1Institut für Angewandte Physik und Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN), Universität Karlsruhe, D-76131 Karlsruhe
²Infineon Technologies, D-81730 München
³LETI / CEA-G-DOPT, 38054 Grenoble, France

Das Materialsystem GaInNAs/GaAs ist aufgrund seiner Eigenschaften, insbesondere im Hinblick auf die Realisierung von Laserdioden für optische Kommunikationssysteme im nahen Infrarot, von großer Bedeutung.

Mittels Photolumineszenz (PL) und photomodulierter Reflexion (PR) untersuchen wir die Temperaturabhängigkeit der elektronischen Übergänge in GaInNAs/GaAs - Quantentrogstrukturen (MQWs) mit verschiedenen Kompositionen und Trogbreiten. Hierbei zeigt die energetische Lage des PL - Emissionsmaximums mit steigender Temperatur einen S - förmigen Verlauf, der sich auf die starke Lokalisierung der Ladungsträger durch die Anwesenheit von Stickstoff im Quantentrog zurückführen lässt.

Weiterhin wurden auch die optische Verstärkung in diesen Strukturen mit Hilfe der variablen Strichlängenmethode sowie optisch gepumptes Lasing untersucht. Die ermittelten Werte der optischen Verstärkung liegen typischerweise um 30 cm^-1.

Optical properties of Si-nanoparticles in the mid IR

•Vasyl Kravets¹, Cedrik Meier¹, Denan Konjhodzic¹, Axel Lorke¹ und Hartmut Wiggers^2
1Laboratorium für Festkörperphysik, Gerhard-Mercator Universität Duisburg, D-47048 Duisburg
²Institut für Verbrennung und Gasdynamik, Gerhard-Mercator Universität Duisburg, D-47048 Duisburg

Rayleigh scattering of Si nanoparticles ( d = 50- 300 nm) was investigated in the wavelength range of l = 2-20 mm (mid IR). The particles used in this study were prepared by pyrolysis of silane either in a hot wall gas phase reactor or in a microwave flow reactor. The transmission spectra of the Si particles were obtained using FTIR spectroscopy measurements. The dominant features in these spectra are the optical modes arising from asymmetric Si-O stretching vibrations in the region if n = 1000 - 1300 cm^-1 and a strong damping of the transmission intensity with increasing wavenumber of the incident light. We find that the dependence of the scattering cross section as a function of l is different from the l^-4-dependence expected for Rayleigh scattering of spherical particles. For a wide distribution of particle sizes, the experimental data show a power-law-dependence of l^-2.24. As a first step to an improved model we consider Rayleigh scattering of ellipsoidal particles. The results of our simulations for Si nanoparticles coated by a layer of SiO_x are in good agreement with the experimental data. This demonstrates that it is possible to estimate size, chemical properties and shape of Si nanoparticles from the transmission data.

Orts- und zeitaufgelöste Untersuchungen zur Speicherung von Ladungsträgern in lateral modulierten Quantentöpfen

•Andreas Gärtner¹, J. Krauß¹, D. Schuh², M. Bichler², A. Wixforth³, D. Driscoll⁴, M. Hanson⁴ und J. P. Kotthaus^1
1CeNS und Sektion Physik der LMU, München
²Walter Schottky Institut, TU München
³Universität Augsburg
⁴UCSB, Santa Barbara, USA

Die Experimente zur Speicherung photonischer Signale [1] werden an AlGaAs-Quantentopfstrukturen mit interdigitalen Metallelektroden durchgeführt, die eine Modulation des elektrostatischen Potentials in der Ebene des Quantentopfes ermöglichen. Durch Potentialgradienten werden optisch generierte Elektron-Loch-Paare getrennt und die Ladungsträger werden in den durch die Spannung induzierten Potentialmulden unterhalb der entsprechenden Elektroden in der Quantentopfebene gespeichert. Nach Abschalten der Potentialmodulation können die nun freien Ladungsträger strahlend rekombinieren (Auslesevorgang). Bei eindimensionaler Potentialmodulation konnte die Dynamik räumlicher Umverteilung der Ladungsträger über zeit- und ortsauf lösende Lumineszenzmessungen untersucht werden [2]. Im Falle zweidimensionaler Potentialmodulation, die durch eine zusätzliche SiO₂-Struktur erzeugt wird, findet die Speicherung lokal statt, so daß sich bildgebende photonische Speicher realisieren lassen.

[1] S. Zimmermann et. al., Science 283, 1292 (1999)

[2] J. Krauß et. al., Phys. Rev. Lett. 88, 036803 (2002)

Speckle Averaged Spectral Interferometry of Rayleigh Scattering in Single and Multiple Quantum Wells

•W. Langbein und G. Kocherscheidt
Experimentelle Physik IIb, Universität Dortmund, Otto-Hahn-Str. 4, 44221 Dortmund

Spectral interferometry (SI) of the resonant secondary emission (RSE) of the fundamental heavy-hole transition in GaAs quantum wells measures the coherent RSE called Resonant Rayleigh scattering (RRS). The RRS dynamics is given by the time-evolution of the excited exciton wave-packet, which depends on the exciton level statistics. Compared to a spatially uncorrelated level statistics, the exciton eigenstates show a spatial correlation [1] by (i) level-repulsion,

i. e. a reduction in the probability of finding states close in energy and space (ii) a spatial correlation of the disorder potential. The SE dynamics of multiple quantum wells measured by up-conversion was interpreted in these terms. However, similar oscillations were observed by speckle analysis in the RRS of MQWs, while they were absent for SQWs. The oscillations were thus attributed to radiative coupling between the wells.[2] In the present work we measured the RRS intensity of SQWs and MQWs of various thicknesses by SI for many ( > 1000) speckles. Compared to the dynamics for uncorrelated level statistics, the SQWs show an initial RRS suppression similar to the effect of level repulsion, while the MQWs show an initial RRS enhancement, with pronounced oscillations for MQWs of small disorder.

[1] V. Savona et al. Phys. Rev. Lett. 84, 183 (2000)

[2] G. Malpuech et al. Phys. Rev. Lett. 85, 650 (2000)

Nichtklassische Phänomene in resonanter Rayleighstreuung aus Halbleiter QWs

•Daniel Schwedt und Heinrich Stolz
Unversität Rostock, FB Physik, Universitätsplatz 3, 18051 Rostock

Resonante Rayleighstreuung tritt sowohl an isolierten Systemen (einzelne Atome) als auch an Ensemblesystemen (z.B. Exzitonen) auf. Bei Ensemblesystemen standen in den vergangenen Jahren die Kohärenzeigenschaften im Mittelpunkt des Interesses (siehe z.B. Speckleanalyse [1]). In der Atomoptik wurden bereits nichtklassische Phänomene wie Photonantibunching gefunden. Bislang ging man davon aus, daß sich solche nichtklassischen Phänomene aufgrund der Ensemblegrößen wegmitteln.

Ausgehend von einem Modell des Exzitonenensembles als statistisch verteilte Drei-Niveau-Systeme, das sowohl die Resonanzfluoreszenzspektren als auch das Speckleverhalten der Rayleighkomponente beschreibt, berechnen wir die quantenstatistischen Eigenschaften des Streulichtes, wie das Schwankungsquadrat der elektrischen Feldstärke in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung. Dieses zeigt Speckleverhalten, wobei jedes einzelne Speckle entweder überhöhtes bzw. reduziertes Rauschen in Bezug auf das Quantenrauschlimit zeigt [2]. Wir berichten über erste Experimente zum Nachweis der Quanteneigenschaften.

[1] R. Zimmermann et al.; Physica E, 10, 40 (2001)

[2] H. Stolz in Phys. Stat. Sol. B, 234, pp. 107-114 (2002)

Photophysics of Nanoparticle-Polymer Composite Thin Films

•S. Böger¹, J. Wisch¹, M. Pientka¹, V. Dyakonov¹, J. Parisi¹, A. Rogach², D. Talapin² und H. Weller^2
1Department of Energy and Semiconductor Research, Faculty of Physics, University of Oldenburg, D-26111 Oldenburg, Germany
²Institute of Physical Chemistry, University of Hamburg, D-20146 Hamburg, Germany

The subject of our investigations are composites of II-IV semiconductor nanoparticles synthesized by colloid chemical methods, such as trioctylphosphine oxide-trioctylphosphine (TOPO-TOP) coated CdSe nanoparticles, and conjugated polymers, i.e., derivatives of Poly-(para-Phenylene-Vinylene). These composites have been found to be promising candidates as absorbing material in photovoltaic devices. Our investigations focus on charge generation and separation, particularly the photoinduced electron transfer between polymer and nanoparticle. For this purpose, we use Photoluminescence (PL), Light-induced Electron Spin Resonance (L-ESR) and Photoinduced Absorption (PIA) measurement techniques.

Quantenoptische Eigenschaften der Reflexion von GaAs-Quantenfilmen

•Birger Seifert und Heinrich Stolz
FB Physik, Universität Rostock, 18051 Rostock

Die quantenoptischen Eigenschaften der Resonanzfluoreszenz von Exzitonen in Halbleiterquantenfilmen sind Gegenstand aktueller Forschung [1]. Wir berichten über erste Messungen von Laserlicht, das an GaAs-Quantenfilmen bei Temperaturen zwischen 5 K und 15 K nach Anregung mit einem quantum noise limitierten Single Frequency Laser mit 4 neV Bandbreite, reflektiert wird. Die Analyse ergab ein ungewöhnliches Rauschverhalten des reflektierten Signals, was auf nichtklassisches Verhalten hindeutet. Damit verträglich sind die beobachteten Abhängigkeit von Anregungsenergie und Anregungsfluenz. Um die Phasenabhängigkeit des Rauschens zu untersuchen, sind Homodyn-Messungen geplant. [1] M. Kira, F. Jahnke, S.W. Koch, Phys. Rev. Lett. 82, 3544 (1999)

Towards a criterion for selecting materials for phase change optical recording

•Daniel Wamwangi, Ralf Detemple, Han-Willem Wöltgens, Xueru Zhang, Mengbo Luo und Matthias Wuttig
I. Physikalisches Institut, Lehrstuhl für Physik neuer Materialien, RWTH Aachen, D52056 Aachen

AgInSbTe alloys have recently emerged as an interesting material for re-writable phase change recording. Depending on the composition and the annealing process, the AgInSbTe alloy decomposes to AgSbTe2 and AgInTe2. These are two alloys which have simple and yet different structures. Here we report on experiments where Ag is replaced by Au. AuSbTe2 and AuInTe2 alloys have been prepared by combinatorial material synthesis and investigated for structural, optical and crystallization properties. Theoretical studies using DFT calculations are employed to determine the density of states, band structure and the total energy of the AuSbTe2 and AuInTe2 structures.

ZnO - Nanodrähte und Kristallite aus thermischer Verdampfung - Morphologie und optische Eigenschaften

•Evgeni M. Kaidashev^1,2, Michael Lorenz¹, Jörg Lenzner¹ und Marius Grundmann^1
1Universität Leipzig, Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Institut für Experimentelle Physik II, D-04103 Leipzig, Germany
²Rostov-on-Don State University, Mechanic and Applied Mathematic Research Institute, 344090, Rostov-on-Don, Russia

Die Darstellung von geordneten ZnO-Nanostrukturen mit großem Aspektverhältnis ist wegen möglicher Anwendungen in der Nanophotonik, Nanoelektronik und Nanosensorik von größter Aktualität. ZnO-Nanokristallite wurden mittels thermischer Verdampfung an Luft oder im Argonstrom gezüchtet. Saphir-Einkristalle mit einer katalytischen Goldbedeckung wurden mit einem ZnO-Graphit-Target (Einwaage 1 : 1) in ein offenes Quarzglasrohr eingelegt, bis auf 1100 Grad C aufgeheizt und schnell abgekühlt. Beim Züchten an Luft entstehen neben ungeordneten Nanodrähten und Bändern mit Durchmessern im 100 nm - Bereich strukturell perfekte, stehende ZnO Mikrokristallit-Säulen mit hexagonaler Grundfläche, Durchmessern um 1 - 5 mm und Höhen um 10 - 30 mm. Im Gegensatz dazu entstehen im Argonstrom auf den Saphirsubstraten geordnete, sowohl stehende als auch liegende Ensembles von Nanodrähten mit Durchmessern im 20 - 200 nm-Bereich und Längen bis etwa 10 mm.

Kathodolumineszenz an diesem ZnO-Nanorasen bei 300K zeigt gleichermaßen für stehende und liegende Nanodrähte den Exzitonen-Peak bei 3,28 eV und die charakteristische grüne Bande.

NMR as a local probe in tin clathrates of the alkali metals M₈Sn₄₄^[¯]₂ with M = K, Rb, Cs

•Frank Haarmann, Michael Baitinger und Yuri Grin
Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe

The elements of group 14 (E14 = Si, Ge, Sn) form binary compounds with alkali metals, having the clathrate I structure. The 3D network is built by E14 atoms, the cavities accommodate alkali metals. Tin clathrates of the alkali metals K, Rb, and Cs show defects located at one of the Sn positions. These were detected by an extended X-ray diffraction study. No long range order of the vacancies was observed. A probable change of the physical properties introduced by these defects which were not observed in the structure type I clathrates of silicon is of interest. Thermoelectric measurements of Cs₈Sn₄₄^[¯]₂ [1] showed that the concept of rattle-type phonon scattering is not applicable due to vacancies in the network of Sn atoms. Analysis of the dislocations around vacant positions indicates that defects induce additional interaction between the cage atoms and the framework. Wide line and MAS NMR experiments on ¹¹⁷Sn, ¹¹⁹Sn and ⁸⁷Rb using samples of M₈Sn₄₄^[¯]₂ with M = K, Rb, Cs were done. The influence of the defects on the crystal structure can be seen in a broad distribution of chemical shifts or Knight Shifts, respectively. An analysis of the line shape, spin-lattice, and spin-spin relaxation will be presented.

[1] G.S. Nolas, B.C, Chakoumakos, B. Mahieu, G. J. Long, T.J.R. Weakley, Chem. Mater. 12, 1947 (2000).

Wachstum von Silizium-Nanodrähten durch reaktives Verdampfen von Siliziummonoxid

•Florian Kolb, Dorothy Ma, Margit Zacharias und Ulrich Gösele
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik, 06110 Halle (Saale)

In den letzten Jahren entwickelte sich ein starkes internationales Interesse an der Herstellung und physikalischen Charakterisierung von Halbleiternanodrähten und deren potentiellen Anwendungen als optische und elektronische Bauelemente. Wir berichten über die erfolgreiche Herstellung von Siliziumnanodrähten durch Verdampfen von Siliziummonoxid bei Nutzung von Stickstoff als inertes Transportgas. Die Nanodrähte wurden auf Silizium-Substraten gewachsen, die mit einem dünnen Goldfilm oder Goldkolloiden beschichtet sind. Damit ergibt sich ein Wachstum der Nanodrähte entsprechend der VLS (Vapor-Liquid-Solid)-Theorie. An den hergestellten Nanodrähten lassen sich Oszillationen im Durchmesser beobachten. Die Struktur der hergestellten Nanodrähte wurde mittels TEM-Aufnahmen analysiert. Konsequenzen für den Wachstumsprozess werden diskutiert. Es wird demonstriert, daß die Länge der Nanodrähte durch eine Variation des Stickstoffdrucks kontrolliert werden kann.

Elektronische Zustände und optische Spektren linsenförmiger Quantenpunkte

•Norman Baer, Paul Gartner und Frank Jahnke
Institut für Theoretische Physik, Universität Bremen

Die theoretische Beschreibung der elektronischen Zustände und der optischen Übergänge von Quantenpunkten bei vorgegebenem Einschlußpotential wird am Beispiel linsenförmiger Geometrien demonstriert. Für eine Kugel- oder Ellipsoidkappe auf einer Benetzungsschicht (Wettinglayer) werden im Rahmen der Effektivmassennäherung zunächst die elektronischen Einteilchenzustände bestimmt. Hierzu wird entweder eine Transfermatrix-Methode oder die direkte Diagonalisierung auf einem Gitter verwendet. Die Ergebnisse werden mit dem oft verwendeten Modell eines zweidimensionalen harmonischen Oszillators verglichen. Auf dieser Basis werden durch Diagonalisierung des Vielteilchen-Hamiltonoperators die Eigenzustände des Systems unter dem Einfluß der Coulomb-Wechselwirkung der Ladungsträger bestimmt und die resultierenden optischen Spektren diskutiert.

Beschreibung der exzitonischen Relaxationsprozesse in ZnCdSe-Quanteninseln mittels Computer Simulation

•B. Dal Don¹, K. Kohary², R. Eichmann², E. Tsitsischvili¹, S.D. Baranovskii², P. Thomas² und H. Kalt^1
1Institut für Angewandte Physik, Universität Karlsruhe (TH), 76128 Karlsruhe
²Philipps-Universität Marburg, 35032 Marburg

Die Photolumineszenz (PL) von ZnCdSe Quantenpunkt-Systemen zeigt ein nicht monotones Verhalten der Linienbreite (full width at half maximum, FHWM) und eine rot-blau-rot-Verschiebung des PL-Maximums mit der Temperatur. Diese wohlbekannte S-Kurve, die durch Umverteilung der Exzitonen innerhalb von tieferen Zuständen erklärt werden kann, wurde bisher nur mit Ratengleichungen modelliert [1].Wir präsentieren eine präzisere Beschreibung, basierend auf einer Monte-Carlo Simulation der Hopping-Dynamik von Exzitonen [2]. Mit Hilfe der Simulation könnten wir gleichzeitig das Schieben des PL-Maximums und das Verhalten der FWHM mit der Temperatur für ZnSe Quantenfilme mit ZnCdSe Inseln bis 180 K reproduzieren. Wir finden eine nicht-Gaußsche Verteilung der lokalisierten Zustände. Aus den im Modell benutzten Parametern bekommen wie außerdem Hinweise auf eine intra-Insel Hopping-Relaxation der Exzitonen.

[1] Q. Li, S. J. Xu, W.C. Cheng, M.H. Xie, S.Y. Tong, C.M.Che and H. Yang, Appl. Phys. Lett. 79, 1810 (2001)

[2] S.D. Baranovskii, R. Eichmann and P. Thomas, Phys. Rev. B 58, 13081 (1998)

Verbreiterung der Phonon-Seitenbanden im Absorptionsspektrum von Halbleiter-Quantenpunkten aufgrund anharmonischer Phonon-Phonon-Wechselwirkung

•Annette Krügel, Vollrath Martin Axt und Tilmann Kuhn
Institut für Festkörpertheorie, WWU Münster

In einer quantenmechanischen Rechnung im Dichtematrixformalismus wird die Verbreiterung der Phonon-Seitenbanden durch Phonon-Phonon-Wechselwirkung im Absorptionsspektrum von Halbleiter-Quantenpunkten untersucht. Im Absorptionsspektrum treten um den exzitonischen Übergang Seitenbanden im Abstand der LO-Phonon-Energie auf, die durch Kopplung an ein Bad von LA-Phononen lorentzförmig verbreitert werden. Die Hierarchie von phononassistierten Dichtematrizen in den quantenmechanischen Bewegungsgleichungen wird mittels einer Korrelationsentwicklung abgebrochen. Zum einen bestimmt der Abbruch bzgl. der LO-Phononen die Anzahl der auftretenden Seitenbanden, zum anderen hat er auch Einfluss auf deren Position. Wir vergleichen die Verbreiterung aufgrund des Zerfalls der LO-Phononen mit derjenigen, die durch die Dispersion der LO-Phononen, insbesondere in kleinen Quantenpunkten, auftritt.

Elektronische Ramanspektroskopie an selbstorganisiert gewachsenen InAs-Quantenpunkten mit variabler Elektronenzahl

•Thomas Brocke, Maik-Thomas Bootsmann, Christian Schüller, Christian Heyn, Wolfgang Hansen und Detlef Heitmann
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg

Im Stranski-Krastanov-Verfahren selbstorganisiert gewachsene InAs-Quantenpunkte bilden ein ideales Modellsystem für künstliche Atome mit wenigen Elektronen. Die InAs-Quantenpunkte sind für die hier vorgestellten Experimente in Dioden mit einem Rückkontakt aus hoch dotiertem GaAs und einer metallischen Gateelektrode eingebettet. Mit einer Spannung zwischen Rückkontakt und Gate wird die Elektronenbesetzung der Quantenpunkte gesteuert.

Mit Hilfe der Ramanspektroskopie konnten wir die elektronischen Anregungen eines solchen Systems für verschiedene Gatespannungen untersuchen. Zur Bestimmung der jeweiligen Elektronenanzahl wurden unter weitgehend identischen Bedingungen Kapazitätsmessungen durchgeführt. In den Ramanspektren wurden deutliche Abweichungen vom Einteilchenbild gefunden, welche sich durch Berücksichtigung der Coulombwechselwirkung zwischen den Teilchen erklären lassen.

Dieses Projekt wird im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 508 " Quantenmaterialien" von der DFG gefördert.

Großflächige Arrays von Microdisks mit eingebetteten InAs-Quantenpunkten

•Tobias Kipp, Kai Petter, Christian Heyn, Detlef Heitmann und Christian Schüller
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg

Wir präparieren und untersuchen Arrays von GaAs-AlGaAs-Microdisks, in die InAs-Quantenpunkte eingebettet sind. Diese Systeme werden ausgehend von mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie gewachsenen Schichtstrukturen hergestellt. Mit holographischer Lithographie lässt sich eine großflächige Punktarray-Lackmaske definieren, die mittels reaktivem Ionenätzen in die Struktur übertragen wird. Die Microdisks werden dann durch ein selektives nasschemisches Unterätzverfahren definiert. Neben den Arrays von alleinstehenden Microdisks lassen sich mit diesem Verfahren auch ein- oder zweidimensional mit ihren Nachbarn verbundene Microdisks herstellen.

Messungen der Photolumineszenz (PL) der unstrukturierten Proben zeigen die hohe Qualität der InAs-Quantenpunkte. Wir beobachten mehrere quantisierte elektronische Zustände. In PL-Messungen an den Microdisk-Arrays beobachten wir Whispering-Gallery-Modes im Spektrum der Quantenpunkte.

Diese Arbeit wird von der DFG im Rahmen des SFB 508 und dem Graduiertenkolleg " Felder und lokalisierte Atome" gefördert.

Optische und strukturelle Eigenschaften von InAlAs-Quanten-punkten

•Jochen Bauer, Nicolaus Ulbrich, Dieter Schuh und Gerhard Abstreiter
Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Am Coulombwall 3, 85748 Garching

Die Verwendung von Intersublevel-Übergängen in Quantenpunkten zur Erzeugung von Licht im mittleren Infrarot bietet einen möglichen Weg, um den Gewinn in Quantenkaskadenlasern zu erhöhen. Dazu werden Quantenpunkte mit Energieniveaus zwischen der GaAs und der AlGaAs-Leitungsbandkante benötigt. AlInAs-Quantenpunkte sind hier-für geeignet. Es wurden verschiedene AlInAs/AlGaAs-Quantenpunkt-Proben gewachsen, bei denen der prozentuale Al-Anteil in den Quantenpunkten bzw. in der Matrix variiert wurde. Hohe Quantenpunktdichten von 2×10¹¹/cm², sowie die d-förmige Zustandsdichte der Quantenpunkte lassen einen hohen Gewinn bei deren Verwendung in unipolaren Lasern erwarten. Bei Variation des Al-Anteils in den Quantenpunkten zwischen 0 und 100% kann das Photolumineszenz-Signal vom nahen Infrarot (1,3eV) bis in den roten Spektralbereich (1,8eV) verschoben werden. Mit AFM-Messungen wurden Verteilungen der Höhen und der lateralen Brei-ten verschiedener Ensembles von Quantenpunkten bestimmt, welche direkt mit der Linienbreite der Quantenpunkt-Photolumineszenz korelliert sind. Ferner wurde der Einfluss der Wachstumstemperatur auf die Homogenität und Grösse der Quantenpunkte untersucht.

Polarization resolved single dot spectroscopy

•M. Schardt¹, R. Dorn², S. Quabis² und G. H. Döhler^1
1Inst. for Technical Physics I
²Inst. for Optics, University of Erlangen-Nuremberg, Germany

Recent electrooptical investigations of self-assembled InAs quantum dots (SADs) in waveguide-geometry have shown polarization anisotropy due to lighthole transitions [1]. However, the obtained transmission spectra are inhomogeniously broadened due to the large number of SADs embedded in the waveguide-structure. To address a single dot, a vertical incidence is typically chosen. In this configuration, the lost information on the polarization (no TM-mode!) can be gained by a specially designed light beam [2]:

Focusing a radially polarized laser beam through a microscope-objective with high numerical aperture (NA ³ 0.9) yields in a strong component of the electrical field vector solely along the optical axis at the focal tail (TM). Changing the polarization of the laser beam from radial to azimuthal results in a focus with electrical field vector lying in the focal plane (TE). The resulting spot size is much smaller than predicted by classical diffraction theory, making such a setup a desireable tool for polarization resolved single dot spectroscopy.

[1] O. Wolst et al., Physica E 13 (2002) 283-288

[2] S. Quabis et al., Optics Communications 179 (2000) 1-7

Metastable Exciton States in ZnCdSe Quantum Wells with Nanoislands

•Alexander Reznitsky^1,2, Albert Klochikhin^1,2, Benedicte Dal Don¹, Heiko Priller¹, Heinz Kalt¹, Claus Klingshirn¹, Irina Sedova², Dimitri Litvinov³ und Dagmar Gerthsen^3
1Institut für Angewandte Physik, Universität Karlsruhe (TH)
²Ioffe Physical-Technical Institute RAS, St.-Petersburg, Russia
³Laboratorium für Elektronenmikroskopie, Universität Karlsruhe (TH)

The optical spectra of MBE-grown ZnCdSe quantum wells with nanoislands formed by CdSe insertions in ZnSe have been studied. For all samples, the temperature dependence of the photoluminescence (PL) band maximum follows either a "normal" or an änomalous" (i.e. "S-shaped") dependence. We consider both dependences in detail and argue that anomalous behavior is caused by metastable exciton states originating from the complex spatial shape of the islands. It was found that these states influence the shape of low temperature PL spectra under cw excitation below the mobility edge [1] or at the early decay stage under pulse excitation. The interplay between metastable and ground exciton states in an island with increasing temperature is responsible for the anomalous temperature dependence of the PL band maximum. We have shown that the number of metastable states in island and their role in the radiative recombination can be affected by an variation of growth parameters.

[1] A.Reznitsky, et.al.,phys.stat.sol.(b) 229, 509 (2002).

Temperature-dependence of the exciton emission in single

•Matthias Schwab, Gerhard Ortner und Manfred Bayer
Experimentelle Physik II, Universität

Considerable interest has been focused on quantum dot (QD) structures in the last few years. These structures are possible candidates in the field of quantum information processing.

We have performed optical studies of In_0.60Ga_0.40As/GaAs and InAs/GaAs QD's. The samples were covered with a global Al-mask containing small holes allowing us to address single QD's and simultaneously to apply electric fields. The samples have been mounted on the cold-finger of a He-flow-cryostat with the possibility to vary the sample temperature. We have measured the redshift of the exciton emission in both sample types up to 120K. The redshift is in good agreement with calculations of these structures [1] and shows a relatively weak dependence in the cryogenic region. For the temperature range up to 50 K we have investigated the E-field dependence of the linewidth G, which can be approximated by G = aT + G₀. Due to piezoelectric coupling G shows a strong dependence to the

[applied electric field.1] R. Pässler, PRB 66, 2002

Biexcitons in Coupled Quantum Dots as a Source of Entangled Photons

•Oliver Gywat, Guido Burkard und Daniel Loss
Departement für Physik und Astronomie, Universität Basel, Klingelbergstrasse 82, CH-4056 Basel, Schweiz

We study biexcitonic states in two tunnel-coupled semiconductor quantum dots and show that such systems provide the possibility to produce polarization-entangled photons or spin-entangled electrons that are spatially separated at production. We distinguish between the various spin configurations and calculate the low-energy biexciton spectrum using the Heitler-London approximation as a function of magnetic and electric fields. The oscillator strengths for the biexciton recombination involving the sequential emission of two photons are calculated. The entanglement of the photon polarizations resulting from the spin configuration in the biexciton states is quantified as a function of the photon emission angles. Ref.: O. Gywat, G. Burkard, and D. Loss, Phys. Rev. B 65, 205329 (2002).

Zeitaufgelöste Spektroskopie an grünen Quantenpunkten im Vergleich zu Quantenfilmen

•Amro Mohamed¹, Albert Gröning¹, Matthias Klude² und Heinz Schweizer^1
1Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut, Pfaffenwaldring 57, 70550 Stuttgart
²Universität Bremen, FB1 Institut für Festkörperphysik, Otto-Hahn-Allee NW1, 28359 Bremen

In diesem Beitrag sollen CdSe Quantenpunkte in einer ZnSSe Barriere mit Hilfe der optischen Spektroskopie untersucht, und mit entsprechenden Quantenfilmen verglichen werden. Die Emissionswellenlänge dieser Quantenpunkte liegt mit 530 nm im grünen Spektralbereich. Die Erschließung dieses Spektralbereichs eröffnet ein grosses Anwendungsfeld in der Optoelektronik und dem Quanten-Informtions-Prozessing.

Es wurden temperatur- und leistungsabhängige Messungen an den Quantenpunkten und Quantenfilmen vorgenommen. Weiterhin wurden zeitaufgelöste Messungen durchgeführt, aus denen die Rekombinationszeiten der elektronischen Niveaus bestimmt wurden. Die Lebensdauern von strahlender und nichtstrahlender Rekombination konnten aus den selben Messungen ermittelt werden.

Die Unterschiede in den optischen Eigenschaften zwischen Quantenpunkten und -filmen sollen in diesem Beitrag diskutiert werden.

Radiation lifetime modification of quantum confined excitons beyond the dipole approximation

•Kwang Jun Ahn und Andreas Knorr
Institut für theoretische Physik Sek.PN7-1, Technische Universität in Berlin, Hardenbergstr.36 10623 Berlin

Usually, for a point-like atomic emitter, whose spatial extension is much smaller than the wavelength of light, the dipole-approximation is applied. Theoretical calculations in this regime, especially under the influence of additional surfaces, agree very well with experimental results. However, for mesoscopic systems, where the spatial extension of the electron wave functions cannot be neglected in comparison to the wavelength of light, the dipole approximation is questionable.

In our presentation, the lifetimes of the quantum confined exciton is calculated. Using the center-of-mass wave quantization procedure in the 2-dimensional parabolic confinement potential, the polarization of the quantum disk is derived. Eventually, with the self-consistently calculated polarization and the Green's function tensor for the Maxwell's wave equation, the radiative coupling of a quantum disk in a homogeneous environment, at a single interface and in a cavity-like system are derived. The numerical results are compared with those of the dipole-like emitter and an ideal quantum well.

Phonon-induced damping of Rabi-oscillations and self induced transparency in semiconductor quantum dots

•Jens Förstner, Carsten Weber, Juliane Danckwerts und Andreas Knorr
Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Berlin, 10623 Berlin

The acoustic and optical phonon-induced dephasing dynamics in semiconductor quantum dots is modelled in a quantum kinetic density matrix framework. We use a perturbative approach to include coherences with up to two phonons allowing arbitrary pulse lengths and strengths, and compare our results to analytical solutions, which can be derived for excitation with delta pulses. We study phonon-induced damping of the Rabi oscillations for different pulse lengths and strengths for GaAs type quantum dots. Additionally, by solving the Maxwell equations together with the material system, we investigate nonlinear propagation of optical pulses and observe features like damped self induced transparency.

Zeitaufgelöste Spektroskopie an einzelnen InP/GaInP-Quantenpunkten

•Mark Rossi, Michael Jetter und Heinz Schweizer
4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 57, 70550 Stuttgart

Mittels Ultrakurzzeitspektroskopie wurden InP/GaInP-Einzel-Quantenpunkte untersucht. Es bestätigte sich die wichtige Rolle des Auger-Prozesses als Relaxationsmechanismus bei Quantenpunkten sowie der Einfluß der Ladungsträgerdichte auf die Linienverbreiterung. Anhand der Rekombinationszeiten wird ersichtlich, daß eine zu große Anzahl an umgebenden Ladungsträgern zu einer Anhebung der Zerfallszeiten führt. Grund dafür ist eine Verringerung des Wellenfunktionsüberlapp durch Störungen.

Die in der Theorie nulldimensionaler Systeme vorhergesagten über die Temperatur konstanten Zerfallszeiten fanden in den Meßergebnissen Bestätigung.

Obwohl das PL-Signal bei tiefen Temperaturen relativ schwach ausfiel, wurde es nicht vollständig unterdrückt. Es konnte somit kein phonon bottleneck beobachtet werden.

Non-Lorentzian lineshapes in the emission spectra of single self-assembled CdSe/ZnSe quantum dots

•Brian Patton, Wolfgang Langbein und Ulrike Woggon
Experimentelle Physik IIb, Universität Dortmund, Otto-Hahn-Straß e 4, 44221 Dortmund

We present an analysis of the emission lineshape of single exciton and charged exciton (trion) states in a CdSe/ZnSe quantum-dot system. In a set of optical experiments we photo-excited carriers in the barrier and studied the single quantum dot emission at different temperatures, excitation intensities and polarisations. We have observed a non-Lorentzian lineshape comprising of two components; a broad, phonon-assisted band and a sharp zero-phonon line. As the temperature increases we see that the phonon-assisted component contributes more strongly to the spectrally-integrated intensity of the line. We present a model for the acoustic-phonon assisted recombination of both trion and exciton states which includes the effect of single-phonon emission or absorption. The results of this analysis give an upper limit to the Lorentzian component of the zero-phonon line of approximately 100 meV at 10K.

A new InGaAs bond-order potential for the investigation of kinetic effects in quantum dot growth

•Thomas Hammerschmidt, Peter Kratzer und Matthias Scheffler
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Faradayweg 4-6, D-14195 Berlin-Dahlem

A thorough understanding of the experimentally observed shape of InAs quantum dots (QD) calls for non-equilibrium simulations that take kinetic growth-effects into account.

We present a new analytical potential for InGaAs that is based on the bond-order scheme of Abell and Tersoff to model the covalent bonding character. It is derived from previously published potentials and modified to capture reconstructed GaAs(001)-surfaces more accurately and to improve the predictions for InAs surfaces and small clusters of Ga, As and In atoms thereby preserving the previous adaptions to bulk phases.

The potential allows for reliable calculations of elastic strain effects in capped and uncapped QD, where atoms are 4-fold or 3-fold coordinated. For situations with low atomic coordination, as occur in surface-diffusion of Ga and In adatoms, we apply the potential to study the efficiency of different algorithms to search for transition states.

We compare our results with recent density functional calculations.

Examination of the charge storage of Si- and Ge nanoclusters in SiO₂ films by scanning probe techniques

•E. Beyreuther¹, R. Beyer¹, V. Beyer², J. v.Borany² und J. Weber^1
1Technische Universität Dresden, Institut für Tieftemperaturphysik, Dresden, Germany
²Forschungszentrum Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Dresden, Germany

Embedded Si or Ge nanoclusters in SiO₂ films might be a future alternative to conventional floating gate memories. Si or Ge implanted 20nm SiO₂ layers were annealed to generate nanoclusters with sizes of 3-4 nm.

The charge storage of the implanted layers was studied by scanning capacitance microscopy (SCM) and electrostatic force microscopy (EFM).

Local charge injections were accomplished by a biased conductive tip. The amount of the injected charge was estimated from the shifts of the local \fracdCdV curves acquired with scanning capacitance spectroscopy (SCS). The SCS data were compared with CV-measurements on planar MOS structures.

The decay of the SCM- and EFM-contrasts was monitored and the retention time was determined.

Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS) Messungen an selbstorganisiert gewachsenen InAs-Quantenpunkten im Magnetfeld

•G. Hamer, S. Schulz, Ch. Heyn und W. Hansen
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg, Jungiusstraße 11, D-20355 Hamburg

Wir untersuchen die elektronischen Niveaus in InAs-Quantenpunkten (QP), die mit Molekularstrahlepitaxie auf (100) GaAs gewachsen wurden. Für Kapazitätstransientenspektroskopie (DLTS) werden die QP in Schottkydioden eingebettet. Unsere DLTS-Spektren weisen getrennte Maxima auf, die der Emission aus der s- beziehungsweise p-Schale in den QP zugeordnet werden können. Hier wird insbesondere das Verhalten der Emissionsvorgänge im Magnetfeld studiert. Es wird eine starke Änderung der Bindungsenergie im p-Niveau beobachtet, die wir auf die Wechselwirkung des Bahndrehimpulses mit dem Magnetfeld zurückführen.

Cantilever magnetometry of quantum wires and quantum dots

•J.I. Springborn, M.A. Wilde, M.P. Schwarz, D. Grundler, Ch. Heyn und D. Heitmann
Institut für Angewandte Physik, Universität Hamburg, Jungiusstraße 11, 20355 Hamburg

The magnetization is a fundamental thermodynamic quantity and monitors the change of the ground state energy of an electron system in a magnetic field. In nanostructured systems it therefore reflects the effect of the confinement and the electron-electron interaction. We have developed highly sensitive micromechanical cantilever magnetometers which incorporate the nanostructured electron systems [1]. In particular these are quantum wires and quantum dots which are prepared from modulation-doped AlGaAs/GaAs-heterostructures by means of laser-interference lithography and reactive-ion etching. Magnetization data are obtained at low temperatures down to 300mK and in magnetic fields up to 16 Tesla. We observe de Haas-van Alphen like oscillations of the magntetic moment. The shape and the amplitude suggest a strong influence of the electron-electron interaction. Simulations confirm our interpretation.

Financial support by the Deutsche Forschungsgemeinschaft via SFB 508 and ``Gr1640/1-2'' in the ``Schwerpunktprogramm Quanten-Hall Systeme'' is gratefully acknowledged.

[1] M.P. Schwarz, D. Grundler, M. Wilde, Ch. Heyn, and D. Heitmann, J. Appl. Phys. 91, 6875 (2002).

Fabrication of quantum wires using a one step etch transfer of pattern prepared in a high resolution Calixarene and a conventional resist

•Michael Knop, Jean-Laurent Deborde, Ulrich Wieser, Saskia F. Fischer und Ulrich Kunze
Lehrstuhl für Werkstoffe und Nanoelektronik, Ruhr-Universität Bochum, D-44780 Bochum

We present a nanolithography technique based on the combination of high resolution electron beam lithography and conventional photolithography. The process starts with preparing the nanostructure. We use the negative electron resist Calixarene which is exposed to a 2 kV electron-beam. Subsequently optical lithography defines the coarse structure (leads, contacts) in a conventional positive resist. The designed pattern is transferred in a GaAs/AlGaAs-heterostructure by a single wet-chemical etching step. This reliable technique is applied to fabricate quantum wires with a width down to 50 nm and a length of few micrometers.

Additionally a 200 nm wide quantum wire can be divided lengthwise by means of atomic force microscope lithography [1] in two parallel coupled quantum wires. Using wet-chemical etching, we produce a 30 to 40 nm wide and several nm deep groove, which induces a potential barrier controlling the coupling between the two quantum wires.

Optische Spektroskopie an InGaN Schichten für blaue Quantenpunkte auf GaN

•Albert Gröning, Victoria Perez-Solorzano, Amro Mohamed, Ferdinand Scholz und Heinz Schweizer
Universität Stuttgart, 4. Physikalisches Institut, Pfaffenwaldring 57, 70550 Stuttgart

In diesem Beitrag wird über die optischen Untersuchungen von verschieden gewachsenen InGaN Schichten für Quantenpunkte berichtet.

Für das selbstorganisierte Wachstum von InGaN Quantenpunkten ist, im Vergleich zum Wachstum von Quantenfilmen, eine niedrigere Wachstumstemperatur notwendig. Hierbei bietet sich als alternative zu dem üblicherweise verwendeten Amoniak als Precursor Hydrazien an, dessen Stickstoffbindungen sich bereits bei niedrigeren Temperaturen lösen.

Es wurde mit Hilfe der optischen Spektroskopie das unterschiedliche selbstorganisierte Wachstum von InGaN Schichten untersucht, die Amoniak beziehungsweise durch Hydrazien hergestellt wurden.

Die Unterschiede zwischen diesen beiden Precursor werden vorgestellt und ihre Rolle für das selbstorganisierte Wachstum von InGaN Quantenpunkten wird diskutiert.

Charge Storage in Ion Beam Synthesized Au Nanocrystals Embedded in SiO₂

•Torsten Müller, Volkhard Beyer, Johannes von Borany und Karl-Heinz Heinig
Forschungszentrum Rossendorf, Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung

Studies of semiconductor nanocrystals (NCs) in the MOS gate oxide received much interest due to their potential application in non-volatile memory devices. However, the detailed charge storage mechanism is still under discussion. Defect-based charge trapping at NC surfaces is hard to distinguish from storage in the conduction band of NCs. For metal NCs in SiO₂ the situation is different. Charge traps at the Au/SiO₂ interface are assumed to be negligible at first sight. In this contribution, Au NCs serve as a model system for the charge storage phenomena in NC containing gate oxides with a thickness of less than 40 nm. For the present study, Au NCs were synthesized by low-energy ion implantation followed by annealing. The formation of well-separated NCs (4..5 nm diameter) were observed by X-TEM studies. Additionally, a zone denuded of NCs forms at the interface. Thus, the formed NC-layer has the right distance from the Si/SiO₂ interface for charging by direct electron tunneling. On prepared MOS capacitor structures, charge storage behavior was successfully demonstrated by capacitance-voltage measurements.

Ordered Nano-clusters of the Oxidic Semiconductors ZnO, CdO, and CuO: Fabrication and Characterization

•Andreas Ladenburger¹, Michael Haupt¹, Xinmin Cao¹, Hubert Rauscher², Rolf Sauer¹ und Klaus Thonke^1
1Abt. Halbleiterphysik, Universität Ulm, D-89069 Ulm
²Abt. Oberflächenchemie und Katalyse, Universität Ulm, D-89069 Ulm

We produce nano-clusters of ZnO, CdO, and Cu_xO by a self-organizing diblock copolymer approach. The solved diblock copolymers form micelles, which are loaded with metal salts, i.e. ZnCl₂, CdCl₂, and CuCl₂. By dipping a substrate into the solution, a monolayer of ordered micelles is created on the surface of the substrate [1]. A subsequent O-plasma process removes the polymers and oxidizes the metal ions. Finally, ordered clusters of ZnO, CdO and Cu_xO are created on the surface. These clusters have diameters of about 10nm, and are 100nm apart from each other.

The nano-particles are investigated by atomic force microscopy, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and photoluminescence spectroscopy.

To improve their optical quality, the clusters are annealed at high temperatures. Furthermore we passivate the clusters by an additional silica layer.

[1] M. Haupt, S. Miller, A. Ladenburger, R. Sauer, K. Thonke, J. P. Spatz, S. Riethmüller, M. Möller, and F. Banhart, J. Appl. Phys. 91, 9 (2002), 6057

Manipulating the Electronic Coupling Between Vertically Correlated InGaAs-GaAs Quantum Dots

•Hubert krenner¹, Jonathan Finley¹, Evelin Beham¹, Max Bichler¹, Gerhard Abstreiter¹ und Artur Zrenner^2
1Walter Schottky Institut, Technische Universität München, 85748-Garching
²Universität Paderborn, 33098 Paderborn

We present the results of an extensive growth study of pairs of vertically correlated self-assembled InGaAs quantum dots (QDs) separated by thin GaAs spacers. Our results demonstrate that the electronic structure of the two QD-layers (QD1-lower, QD2-upper) can be manipulated via modification of the InGaAs coverage for the upper QD layer and the In-Ga ratio. By reducing the nominal InGaAs coverage for QD2 from 100%-75% of the value used for QD1 whilst maintaining a constant spacer thickness (7nm), we observed a systematic blue-shift of the photoluminscence (PL) of QD2 and an increased spectral overlap with the PL from QD1. In addition, a strongly systematic variation of the QD-emission wavelength (up to ~ 120nm) was found as the In-As ratio was varied. Based on these studies, we have optimised the growth parameters for coupled InGaAs QDs to maximise the interdot electronic coupling. The electronic coupling between the QDs was controllably manipulated via incorpoaration into Schottky photodiodes. As the axial electric field was varied, a satellite PL peak (RS) emerged the amplitude of which resonates over a narrow range of electric field. This feature is identified as arising from the bonding-like coupled electronic state. Good agreement between these observations and recent theoretical predictions is found.

Polarisation-sensitive detectors and switches based on ordered InGaAsP

•S. Krämer¹, J. Spieler¹, R. Blache¹, S. Neumann², W. Prost², P. Kiesel³, F. J. Tegude² und G.H. Döhler^1
1Institut für Technische Physik, Universität Erlangen-Nürnberg
²Institut für Halbleitertechnik, Universität-Gesamthochschule Duisburg
³Palo Alto Research Center Inc., Palo Alto, USA

In the semiconductor InGaAsP grown by MOVPE under special growth conditions, a monolayer superlattice arrangement is formed in [111]_B-direction. Such naturally grown superlattices have been observed in ternary alloys, for example in InGaAs or GaInP. In InGaAsP the ordering induced effects (polarization anisotropy of the absorption) are more pronounced as in the ternary materials. Encouraging is the tunability of the bandgap in InGaAsP keeping the lattice matching to the substrate (InP) unchanged. The importance for the optical communication wavelengths at 1.3 mm and 1.5 mm is obvious.

The principle of polarization sensitive detection and switching has already been shown [1]. We use the design of two stacked n-i-p-diodes. The top diode works as a pin-FET with an ordered InGaAsP intrinsic layer. The bottom diode contains lower bandgap material in the i-region and works as reference diode. So the n-channel conductance of the FET-diode is highly dependent on the polarization of the incoming light. Appropriate designs allow polarization sensitive switching and sensitive polarization detection. We report on recent results obtained with ordered quaternary InGaAsP diodes in comparison with ternary materials.

[1] J. Spieler et al. .....

Surfactant modified epitaxy of Si on CaF₂/Si(111)

•B.H. Müller, C. Wang, E. Bugiel und K.R. Hofmann
Inst. für Halbleiterbauelemente und Werkstoffe, Appelstr 11a, 30167 Hannover

Epitaxial CaF₂/Si heterostructures have attracted considerable interest due to their application potential for novel Si based devices. The epitaxial growth of CaF₂ films on Si(111) has been extensively studied, while the growth of Si on CaF₂, however, has been less investigated and is more difficult to achieve because the smaller surface free energy of CaF₂ makes wetting of the CaF₂ surface with Si energetically unfavorable. In this work we present the first investigation of the effects of the surfactant Sb on the epitaxial growth of Si on CaF₂/Si(111) substrates. For comparison with the surfactant-modified growth method various conventional Si on CaF₂/Si(111) growth techniques were employed. High temperature deposition results in the growth of 3D Si clusters. Deposition at room temperature with subsequent annealing steps improved the quality of the Si epilayers, but was accompanied by the formation of holes and trenches in the Si film. A surfactant- modified epitaxy method, where the room temperature Si deposition was followed by annealing under Sb flux resulted in continuous, smooth and epitaxial crystalline Si films, with a sharp (Ö3×Ö3)R30^° surface reconstruction.

Eigenschaften von C-Delta-Dotierschichten in GaAs auf der atomaren Skala

T. C. G. Reusch¹, M. Wenderoth¹, •L. Winking¹, R. G. Ulbrich¹, S. Malzer² und G. Döhler^2
1IV. Phys. Inst. der Univ. Göttingen, Bunsenstr. 13, 37073 Göttingen
²Inst. für Technische Physik I, Univ. Erlangen-Nürnberg, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen

Wir haben C-Akzeptoren mit Hilfe von Querschnitts-Rastertunnel""mikroskopie und -spektroskopie in kontinuierlich und delta-dotiertem GaAs identifiziert und charakterisiert. Die Signatur des einzelnen Akzeptors in spannungsabhängigen Topographie-Messungen konnte durch das Zusammenspiel von spitzeninduzierter Bandverbiegung und elektrostatischem Potential des Akzeptors erklärt werden. Des weiteren zeigen die delta-dotierten Schichten eine sehr scharfe Verteilung der Akzeptoren längs der Wachstumsrichtung, was bei Be und Si nicht beobachtet wurde [1][2]. In der ortsaufgelösten Spektroskopie erkennen wir bei zunehmender Akzeptordichte einen Übergang von einzelnen Akzeptor-Niveaus in der Bandlücke zu einem metallischen Band.

Dieses Projekt wurde von der DFG im Rahmen des SFB 602 (TP A7) gefördert.

[1

Anisotropien im Magnetotransport stressmodulierter zweidimensionaler Elektronengase

•Tobias Feil, Werner Breuer und Dieter Weiss
Universität Regensburg

Auf Grund des anisotropen piezoelektrischen Effekts in GaAs ist es möglich, einem GaAs/AlGaAs-2DEG ein periodisches Potential aufzuprägen. Dies geschieht z.B. mit einer periodischen Anordnung von Stressoren auf der Oberfläche der Heterostruktur. Bei Perioden von wenigen 100 nm des Übergitters zeigen derart modulierte 2DEGs Kommensurabilitätsoszillationen im Magnetowiderstand. Als geeignete Stressoren haben sich elektrolytisch abgeschiedene Nickeldots erwiesen [1]. Diese haben jedoch wegen ihrer ferromagnetischen Eigenschaften den Nachteil, dass der elektrischen Modulation eine magnetische überlagert wird. Durch die elektrolytische Abscheidung von Kupfer wird nun eine reine elektrostatische Modulation gewährleistet. Bei Variation der Orientierung des Übergitters gegenüber dem Kristallgitter zeigt sich die Anisotropie des piezoelektrischen Effekts im Verhalten des Magnetowiderstands.

[1] W. Breuer, D. Weiss, V. Umansky, Physica E 12, 216 (2002)

XSTM vs m-PL: Ein direkter Vergleich der strukturellen und optischen Eigenschaften von (AlGa)As Quantenfilmen

C. Ropers¹, M. Wenderoth¹, •L. Winking¹, T. C. G. Reusch¹, M. Erdmann¹, S. Malzer², G. Döhler² und R. G. Ulbrich^1
1IV. Phys. Inst. der Univ. Göttingen, Bunsenstr. 13, 37073 Göttingen
²Inst. f. Techn. Physik I, Univ. Erlangen-Nürnberg, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen

Wir haben ein System von (AlGa)As Quantenfilmen unterschiedlicher Dicke sowohl mit Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie als auch mit m-Photolumineszenz von der atomaren bis hin zur mesoskopischen Skala untersucht. Mit Hilfe eines konfokalen Raster-m-PL-Mikroskops haben wir Lumineszenz-Karten mit einer räumlichen Auflösung von etwa 500 nm aufgenommen. Die inhomogenen Linienbreiten der Lumineszenz der Quantenfilme deuten auf Dickenfluktuationen von jeweils weniger als einer Monolage hin. Im Gegensatz zu bisherigen Untersuchungen an anderen Quantenfilmen [1] finden wir kein Monolagensplitting. Darüber hinaus beobachten wir scharfe Lumineszenzlinien von lateral gebundenen Exzitonen [2]. Diesen optischen Eigenschaften werden hochauflösende XSTM-Messungen aus demselben Probenbereich gegenübergestellt. Hier konnten auf einer Länge von einigen 100 nm Trogbreite und Grenzflächenrauhigkeit der Quantenfilme mit atomarer Genauigkeit bestimmt werden. Diese Arbeit wurde von der DFG im Rahmen des SFB 602 (TP A7) gefördert.

[1] D. Gammon et al., Phys.Rev.Lett. 76, 3005 (1996)

[2] A. Zrenner et al., Phys.Rev.Lett. 72, 3382 (1994)

Anisotropic electron transport in InGaAs heterostructures

•T. Vonau, S. Löhr, Ch. Heyn und W. Hansen
Institut für Angewandte Physik und Zentrum für

We prepare modulation-doped In_0.75Ga_0.25As/In_0.75Al_0.25As heterostructures embedding an additional strained InAs channel in which a two-dimensional electron gas (2DEG) is confined. The structures are grown by molecular beam epitaxy (MBE) on a GaAs (001) substrate using an InAlAs step graded buffer for relaxation of the lattice mismatch. Three different samples are grown in which the 2DEGs are located 20 nm, 30 nm, and 50 nm beneath the crystal surface, respectively.

We observe strikingly different magneto-conductivities in the two orthogonal á110ñ directions at a temperature of 4.2 K. An anisotropy of up to 19 % of the electron mobility is found. In addition, the [110] direction shows a pronounced positive parabolic magneto-resistance, which is not observed in [-110]. Both, the mobility anisotropy and the positive magneto-resistance decrease for an increase in electron density as well as for an increasing distance between the 2DEG and the heterostructure surface. The positive magneto-resistance in [110] can be explained by the semiclassical theory on modulated 2DEGs. The origin of the potential modulation is attributed to a nonuniform strain relaxation in the step graded buffer which is related to the asymmetric cross hatch morphology observed at the sample surface.

Miniband-Transport in Semiconductor Superlattices

•Bernhard Rieder und Joachim Keller
Institut für theoretische Physik, Universität Regensburg

Since the pioneering paper by Esaki and Tsu in 1970 miniband transport in semiconductor superlattices has been the subject of intense research. The existence of negative differential conductivity suggests the possibility of emission of radiation in the THz-regime. This is hindered by the creation of inhomogenous field distributions yielding current oscillations in the GHz-regime. We present numerical solutions of the inhomogenous Boltzmann transport equation including the boundary regions for two- and three-dimensional superlattices under the application of DC- and AC-voltage.

Ultrafast carrier and polarization dynamics in semiconductor nanostructures measured with THz experiments.

•Dmitry Turchinovich, Hanspeter Helm und Peter Uhd Jepsen
Albert-Ludwigs Universität Freiburg, Dept. of Molecular and Optical Physics, Hermann-Herder-Str. 3, 79104 Freiburg

We present the results on ultrafast carrier and polarization dyamics in semiconductor nanostrucutres during and after the powerful optical femtosecond excitation. We study polarization dynamics in InGaN/GaN multiple quantum wells by measuring the THz emission from the samples. InGaN/GaN MQWs are of great interest because they comprize the regions with very strong built-in piezoelectric fields. Analysis of THz pulses generated at different pump levels reveals that at low pump levels the main contribution to ultrafast polarization dynamics is made by optical rectification of a fs laser pulse driven by a strong nonlinearity of the structure. At high pump levels the main contribution is made by the carriers created by two-photon absorption in MQWs. We also show results of optical pump-THz probe experiments on InAs/GaAs quantum dot structure. Using such technique we can measure free-carrier lifetime and mobility. We demonstrate that such structures, where QDs act as mid-gap traps for the electrons created in the barriers, are very promising for ultrafast optoelectronic applications, as they retain high mobility of epitaxial-quality GaAs and have short carrier lifetime due to efficient trapping of the carriers into the QDs.

Polarisationsverhalten der Emission aus lokalisierten Exzitonenzuständen in (AlGa)As-Quantenwells

•M. Erdmann¹, M. Wenderoth¹, C. Ropers¹, I. Mingareev¹, S. Malzer², G. Döhler² und R. G. Ulbrich^1
1IV. Phys. Inst. der Univ. Göttingen, Bunsenstr. 13, 37073 Göttingen
²Inst. f. Techn. Physik I, Univ. Erlangen-Nürnberg, Erwin-Rommel-Str. 1, 91058 Erlangen

Wir haben konfokale Mikro-PL-Spektroskopie mit Apertur 0.7 und räumlicher Auflösung unter 500 nm an (Al_0.3 Ga_0.7)As-Quantenfilmen durchgeführt. Das Quasikontinuum des e-hh E₀-Übergangs im 4 nm-Quantenwell geht auf der Niederenergieseite in scharfe Linien über, die von lokalisierten Exzitonenzuständen im Unordnungspotential der GaAs/(AlGa)As-Grenzfläche herrühren. Die Struktur der Probe erlaubt, in Verbindung mit unserer Scan-Einrichtung, einzelne oder wenige dieser Zustände optisch zu adressieren. Einige Linien zeigen eine Aufspaltung in zwei linear polarisierte Komponenten mit einem energetischen Abstand von ca. 70-100 meV. Die Polarisation weist eine Vorzugsrichtung relativ zum Kristall auf. Wir diskutieren den Einfluss von anisotropem Lokalisierungspotential sowie Spin-Bahn- und Austauschwechselwirkung auf die beobachtete Feinstruktur sowie die Orientierung der Polarisation. Magnetfeldabhängige Messungen zeigen einen Übergang von linearer zu zirkularer Polarisation der Feinstrukturkomponenten bei B > 0.5 T. Diese Arbeit wurde von der DFG im Rahmen des SFB 602 (TP A6) gefördert.

[1] D. Gammon et al., Phys.Rev.Lett. 76, 3005 (1996)

[2] M. Bayer et al., Phys.Rev.B 65, 195315 (2002)

Zeitabhängige Transportmessungen im Quanten-Hall-Regime

•C. Fricke, G. Sukhodub, F. Hohls und R. J. Haug
Institut für Festkörperphysik, Universität Hannover, Appelstr. 2, D-30167 Hannover

Ein Weg zur Charakterisierung des elektronischen Transports ist die zeitabhängige Antwort auf einen Spannungspuls. In unserem Experiment untersuchen wir zweidimensionale Elektronensysteme im Regime des Quanten-Hall-Effekts auf eben diese Weise. Dabei kommen vor allem Corbino-Geometrien zum Einsatz: In Corbino-Geometrie wird der Transport nicht wie in Hall-Geometrie durch die Randkanäle bestimmt, sondern der elektronische Transport findet durch das Innere der Probe statt und ist im Bereich der Hall-Plateaus unterdrückt. Dies ermöglicht eine direkte Untersuchung der Transporteigenschaften durch das Probeninnere ohne den Einfluss der in Hall-Geometrie vorherrschenden Randkanäle.

Die verwendeten zweidimensionalen Elektronensysteme basieren auf modulationsdotierten GaAs/AlGaAs Heterostrukturen. Alle Proben werden in Zwei-Punkt-Anordnung gemessen. In den Experimenten zur Zeitabhängigkeit wird ein Anregungspuls mit einer Anstiegszeit < 2 ns verwendet und der Strom durch die Probe am zweiten Kontakt mit einer Zeitauflösung < 10 ns detektiert.

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Zuletzt geändert am 08.04.2003

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