Materials World Network: Electron-lattice dynamics at an atomically controlled buried interface

• Applicant: Professor Dr. Ulrich Höfer
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 240640164

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

An der inneren Grenzfläche zweier Halbleitermaterialien existieren chemische Bindungen und elektronische Zustände, die sich von denen im Volumen und an den Oberflächen dieser Materialien stark unterscheiden können. Die Dynamik der damit verbundenen Schwingungsanregungen wurde im Rahmen dieses Projekts mit Hilfe der zeitaufgelösten, kohärenten Phononenspektroskopie am Modellsystem GaP/Si(001) untersucht. Der polare Halbleiter GaP und der nichtpolare Halbleiter Si haben nahezu gleiche Gitterkonstanten, aber deutlich voneinander verschiedene elektronische und phononische Eigenschaften. Ziele des Projekts waren der experimentelle Nachweis grenzflächenspezifischer Schwingungsanregungen und die Korrelation ihrer Eigenschaften mit der atomaren Struktur der Grenzfläche. In der Tat weisen die gemessenen Phononenspektren deutliche Unterschiede auf, wenn die Wachstumsparameter verändert werden. Aus der Amplitude der sogenannten LOPC- Mode, einer kombinierten LO-Phonon und Plasmon-Polariton-Anregung in den grenzflächennahen GaP-Schichten, konnten Rückschlüsse über die Bandverbiegung und die Bandanpassung an der GaP/Si-Grenzfläche gewonnen werden. Das zweite Hauptergebnis des Projekts war die Entdeckung einer an der Grenzfläche erzeugten Gitterverzerrung, deren räumliche Ausdehnung nur 3 nm und deren zeitliche Ausdehnung nur 0.5 ps beträgt. Der extrem scharf begrenzte akustische Phononenimpuls propagiert nach seiner optischen Anregung nahezu verzerrungsfrei durch die Volumenmaterialen und führt zu einer zeitlich verzögerten Änderung der optischen Reflektivität, wenn er auf die GaP-Oberfläche trifft. Insgesamt haben die Experimente gezeigt, dass sich die kohärente Phononenspektroskopie besonders gut eignet, um die dynamische Kopplung elektronischer und phononischer Anregungen experimentell zu untersuchen. Es ist deshalb zu erwarten, dass die künftig im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1083 geplanten Experimente mit dieser Methode auch interessante Aufschlüsse über elektronische Anregungen und Ladungstransferprozesses an inneren Halbleitergrenzflächen liefern.

Publications

• Nichtlineare optische Spektroskopie an der Galliumphosphid-Silizium(001)-Grenzfläche, Philipps-Universität Marburg, 05/2014
  K. Brixius
  
• Dynamically coupled plasmon-phonon modes in GaP: An indirect-gap polar semiconductor, Phys. Rev. B 92 , 205203 (2015)
  K. Ishioka, K. Brixius, U. Höfer, A. Rustagi, E. M. Thatcher, C. J. Stanton, and H. Petek
  
• Coherent phonon spectroscopy characterization of electronic bands at buried semiconductor heterointerfaces, Appl. Phys. Lett. 108, 051607 (2016)
  K. Ishioka, K. Brixius, A. Beyer, A. Rustagi, C. J. Stanton, W. Stolz, K. Volz, U. Höfer, and H. Petek
  
• Intrinsic coherent acoustic phonons in the indirect band gap semiconductors Si and GaP, Phys. Rev. B 95, 035205 (2017)
  K. Ishioka, A. Rustagi, U. Höfer, H. Petek, C. J. Stanton
  
• Sub-picosecond acoustic pulses at buried GaP/Si interfaces, Appl. Phys. Lett. 111, 062105 (2017)
  K. Ishioka, A. Rustagi, A. Beyer, W. Stolz, K. Volz, U. Höfer, H. Petek and C. J. Stanton