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Maskiertes Tröpfchenätzen für positionierte Quantenstrukturen

Antragsteller Dr. Christian Heyn
Fachliche Zuordnung Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2019 bis 2024
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 414041112
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Vorhaben wurden Galliumarsenid-Quantenpunkte (Quantum Dots, QD) untersucht, welche mit der Methode des lokalen Tröpfchenätzens (Local Droplet Etching, LDE) in unserer Molekularstrahlepitaxie-Anlage hergestellt wurden. Dabei werden Aluminium- Tröpfchen auf einer AlGaAs-Oberfläche deponiert, welche sich in einem selbstorganisierten Mechanismus bilden. Durch Diffusion von Arsen aus dem AlGaAs in die Tröpfchen werden lokal Nanolöcher mit durch die Prozessparameter präzise einstellbarer Tiefe geätzt. Abschließend werden diese Nanolöcher mit GaAs gefüllt für die Herstellung von vielfältigen Quantenstrukturen. Das ursprüngliche Projektziel, die Untersuchung der Herstellung positionierter LDE-Quantenstrukturen durch die Anwendung von Maskentechniken, musste durch die Corona-Pandemie und danach durch Lieferengpässe verursachte erheblich verzögerte Installationen der Labor-Infrastruktur aufgegeben werden. Daher wurden im Vorhaben die optischen Eigenschaften von selbstorganisierten LDE-Quantenpunkten experimentell und theoretisch untersucht. Die Herstellung von LDE-QDs wurde von uns erstmalig 2008 demonstriert und sie erwiesen sich im Folgenden als sehr interessant für Anwendungen z.B. in der Quantenkryptographie. Wichtige Meilensteine sind hier zum Beispiel ihre vernachlässigbare Feinstrukturaufspaltung, ihre ultra-schmalen optischen Linienbreiten sowie die Verschränkung von Photonen, welche von zwei unterschiedlichen QDs emittiert wurden. Wir studieren hier insbesondere größere LDE-QDs, welche aufgrund ihrer einzigartigen Cone- Shell-Form in externen elektrischen und magnetischen Feldern sehr interessante optische Eigenschaften aufweisen. Einzelne LDE-QDs wurden mit Tieftemperatur Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie untersucht, wobei der Aufbau neben der Energie der optischen Emission auch die Zeit- und Polarisationsabhängigkeit erfassen kann. Die experimentellen Daten wurden mit Hilfe von Simulationsergebnissen interpretiert. Als erstes zentrales Ergebnis erlaubte die Kombination von Messungen in vertikalen elektrischen Feldern mit Simulationen die quantitative Bestimmung der Form und Größe von LDE-QDs. Weiter zeigt sich, dass elektrische Felder eine weitgehende Manipulation der Ladungsträger-Aufenthaltswahrscheinlichkeiten erlauben und so zum Beispiel die kontrollierte Transformation von Punkt- zu Ringförmigen Aufenthaltswahrscheinlichkeiten mit einstellbarem Radius. Quantenringe sind sehr interessante Objekte der Quantenwelt einmal für die Grundlagenforschung aber auch für potentielle Anwendungen. Der Vergleich von Messungen und Simulationen zu Lebensdauern exzitonischer Zustände in vertikalen elektrischen Feldern ergab einen neuartigen Hybridzustand mit einem Elektron in einem starken Einschluss und einem Loch in einem schwachen Einschluss, welcher nach unserer Kenntnis bisher noch nicht beobachtet wurde. Weiter sagen unsere Simulationen voraus, dass ein zusätzliches magnetisches Feld das Umschalten zwischen optisch aktiven und dunklen Zuständen erlaubt. Das würde Quantenpunkt-basierte Speicher für optisch angeregte Ladungsträger ermöglichen, welche im Hinblick auf integrierte photonische Bauelemente für Quantentechnologien sehr interessant sind. In einem lateralen elektrischen Feld bilden die Ladungsträger in einem LDE-QD einen lateralen Dipol, dessen Orientierung durch das externe Feld kontrolliert werden kann.

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