Mikroskopische Beschreibung des optischen Gewinns von Quantenpunkt-Lasern

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Jahnke
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 163851055

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zur theoretischen Beschreibung der optischen Eigenschaften von selbstorganisiert gewachsenen Halbleiter-Quantenpunkten wurden mikroskopische Modelle weiterentwickelt und ausgewertet. In diesen Modellen spielen Vielteilcheneffekte durch die Coulomb-Wechselwirkung der angeregten Ladungsträger sowie deren Wechselwirkung mit Phononen eine zentrale Rolle. In Theorie-Experiment-Vergleichen wurde demonstriert, dass die Beschreibung der Vielteilchenwechselwirkungen nichtstörungstheoretische Modelle erfordert. Insbesondere wurde die Abhängigkeit der verschiedenen Streuprozesse über einen weiten Bereich von Anregungsdichten und Temperaturen quantifiziert. Um materialspezifische Effekte zu untersuchen, wurden Einteilcheneigenschaften der Nanostrukturen aus Tight-Binding-Modellen bestimmt. Dabei war es notwendig, die Schnittstelle zwischen den Tight-Binding-Rechnungen und den Vielteilchenmodellen zu etablieren, indem über atomistisch berechnete Wellenfunktionen die entsprechenden Wechselwirkungsmatrixelemente bestimmt werden. Mit k∙p-Modellen standen in der Vergangenheit Kontinuumsmodelle zur Beschreibung der Einteilcheneigenschaften und der kontrollierten Beeinflussung der elektronischen Eigenschafte über Verspannungseffekte zur Verfügung, die einfacher in der numerischen Umsetzung sind. Mit der Tight-Binding-Modellierung konnte eine weitere Methode etabliert werden, die aufgrund ihrer atomistischen Auflösung eine direkte Berücksichtigung von Unordnungseffekten und Konzentrationsgradienten sowie von Grenzflächeneffekten und lokalen Verspannungseffekten ermöglicht, welche in Quantenpunktsystemen wichtig sind. In der Projektarbeit wurden erste Anwendungen fär das InN-Materialsystem und das InGaAs-Materialsystem vorgelegt. Gerade durch eine Kombination mit experimentellen TEM-Untersuchungen, die bei atomarer Auflösung auch eine Element- und Verspannungsanalyse ermöglichen, und im Vergleich mit optischen Charakterisierungen der Proben sollten die entwickelten theoretischen Modelle erst richtig zum Tragen kommen. Hier sind entsprechend weiterführende Untersuchungen geplant.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Will quantum dots replace quantum wells as the active medium of choice in future semiconductor lasers? IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 17, 1349, (2011)
  W.W. Chow, M. Lorke, and F. Jahnke
  
• Strong dipole coupling in nonpolar nitride quantum dots due to Coulomb effects, Appl. Phys. Lett. 100, 092103 (2012)
  K. Schuh, S. Barthel, O. Marquardt, T. Hickel, J. Neugebauer, G. Czycholl, and F. Jahnke
  
• Combined influence of Coulomb interaction and polarons on the carrier dynamics in InGaAs quantum dots, Phys. Rev. B 88, 205309 (2013)
  A. Steinhoff, H. Kurtze, P. Gartner, M. Florian, D. Reuter, A. D. Wieck, M. Bayer, and F. Jahnke
  
• Interplay between Coulomb interaction and quantum-confined Stark-effect in polar and nonpolar wurtzite InN/GaN quantum dots, Eur. Phys. J. B, 449 (2013)
  S. Barthel, K. Schuh, O. Marquardt, T. Hickel, J. Neugebauer, F. Jahnke and G. Czycholl
  
• On the physics of semiconductor quantum dots for applications in lasers and quantum optics, Progress in Quantum Electronics 37, 109-184 (2013)
  W.W. Chow and F. Jahnke
  
• Phonon-mediated off-resonant coupling effects in semiconductor quantumdot lasers, New Journal of Physics 15, 035019 (2013)
  M. Florian, P. Gartner, C. Gies, and F. Jahnke