Hochauflösende Terahertz-Halbleiterspektroskopie mit Quantenkasadenlasern: Entwicklung von geeigneten Laserquellen für 2,7 -3,3 und 5,0-5,7 THz

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Grahn
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269855421

Das gemeinsame Ziel der Arbeitsgruppen am Paul-Drude-Institut (PDI) und an der Technischen Universität Berlin (TUB) besteht in der Realisierung eines Spektrometers für hochauflösende Laserspektroskopie bei THz-Frequenzen auf der Grundlage von Multimoden-Quantenkaskaden-lasern (QCLs) mit schmaler Linienbreite in Kombination mit einem Gitterspektrometer sowie in der Untersuchung der Linienbreite, der Linienform und der Relaxationszeit von Störstellen, insbesondere in isotopenreinem Ge und Si. Die Zielstellungen der PDI-Gruppe sind die Entwicklung eines verbesserten Design-Werkzeugs auf der Grundlage eines geeigneten Modells einschließlich der Auswahl der notwendigen theoretischen Bestandteile sowie die Erforschung der Prinzipien für effiziente Design-Abläufe und die Realisierung einer automatisierten Design-Prozedur. Weiterhin streben wir die Erweiterung des Frequenzbereichs von THz-QCLs auf Werte oberhalb von 5 THz und das Verständnis der physikalischen Prozesse, die den Betrieb bei höheren Frequenzen begrenzen, sowie die Entwicklung von breitbandigen, durchstimmbaren QCLs für die Frequenzbereiche zwischen 2,7 und 3,3 (für Ge) und 5,0 und 5,7 THz (für Si) an. Schließlich planen wir die gemeinsame Realisierung des vollständigen Systems und die Bestimmung der bestmöglichen Auflösung des QCL-basierten Spektrometers. In Bezug auf die Entwicklung eines für Design-Zwecke geeigneten Modells beabsichtigen wir die Verbesserung unserer Näherungen für die Intersubband-Streuraten, beispielhaft beginnend mit der Streuung an longitudinal optischen Phononen. Der Einfluss von lateralen Potentialfluktuationen, Grenzflächenprofilen und kohärenten Effekten auf die Betriebseigenschaften der THz-QCLs wird erforscht. Das Modell wird für die Untersuchung effizienter Design-Prozesse und zur Beschreibung einer automatisierten Design-Prozedur genutzt. Dieses Wissen wird für die Optimierung geeigneter QCLs für 2,7 bis 3,3 THz verwendet. Die Erweiterung der Emissionsfrequenzen der QCLs auf Werte oberhalb von 5 THz und das Verständnis der den Betrieb bei höheren Frequenzen begrenzenden physikalischen Prozesse sowie das effiziente Design verschiedener möglicher Strukturen und die Herstellung entsprechender Laser wird die Entwicklung durchstimmbarer QCLs für den Frequenzbereich zwischen 5,0 und 5,7 THz ermöglichen. Die Realisierung des vollständigen Systems wird in enger Zusammenarbeit mit der TUB-Gruppe, insbesondere in Bezug auf die Festlegung der erforderlichen Betriebsparameter der Laser, durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der TUB-Gruppe werden wir auch vergleichende spektroskopische Untersuchungen mittels hochauflösender Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie an isotopenreinem Ge und Si sowie an den entsprechenden Störstellenzuständen durchführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Lutz Schrottke