Ladungsträgerdynamik unter dem Einfluss extremer Verzerrungsgradienten realisiert in gebogenen Halbleiter-Nanodrähten

• Antragsteller: Dr. Lutz Geelhaar; Professor Dr. Ullrich Pietsch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434114264

Das gezielte Einstellen einer Kristallverzerrung in Halbleitern ist ein etablierter Ansatz, um deren elektronische Struktur vorteilhaft zu beeinflussen. In konventionellen planaren Heterostrukturen aus dünnen Schichten führt eine Gitterfehlanpassung zu einer homogenen biaxialen Verzerrung. Eine Verallgemeinerung dieses Konzepts stellt die inhomogene Verzerrung dar. Diese bildet sich in dreidimensionalen Nanostrukturen mit Verzerrungsgradienten aus. Zu deren Einfluss auf die Halbleiterphysik gibt es jedoch noch viele offene Fragen. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist es, ein tiefgehendes Verständnis der Ladungsträgerdynamik unter dem Einfluss von extremen Verzerrungsgradienten zu erarbeiten.Um solche Gradienten zu realisieren, werden wir freistehende Halbleiter-Nanodrähte bis nahe an die Elastizitätsgrenze kontrolliert verbiegen. Wir konzentrieren uns auf Nanodrähte aus dem direkten Halbleiter GaAs, für die wir eine derartige Verbiegung bereits demonstriert haben. Dazu wird auf nur einer Seite der Nanodrähte eine gitterfehlangepasste Hülle abgeschieden.Der Verzerrungsgradient führt zu verschiedenen Phänomenen, die die Dynamik von angeregten Ladungsträgern beeinflussen. Über die Deformationspotenzial-Wechselwirkung bildet sich ein Gradient in der Bandlücke aus, der als quasielektrisches Feld wirkt. Die Verzerrung führt zudem zu einer piezoelektrischen Polarisation. Darüber hinaus bewirkt der Verzerrungsgradient eine flexoelektrische Polarisation. Der Einfluss des zuletzt genannten Effekts auf die Ladungsträgerdynamik wurde bisher weitgehend ignoriert. Wir streben an, das Zusammenspiel dieser Phänomene zu entflechten und den bisher unbekannten relevanten Flexoelektrizitätskoeffizienten von GaAs zu bestimmen. Zur systematischen Untersuchung der Ladungsträgerdynamik werden wir an gezielt hergestellten Probenserien Photo- und Kathodolumineszenzexperimente durchführen, die durch k·p-Simulationen ergänzt werden. Für die Analyse der Lumineszenzdaten sind präzise Informationen über Verzerrung und Struktur der Nanodrähte entscheidend. Diese werden wir mittels nano-Röntgenbeugung ermitteln. Röntgenbeugung an stark verbogenen Kristallen stellt jedoch Neuland dar, sodass wir zunächst eine entsprechende Methodik entwickeln werden. Diese wird von wissenschaftlich eigenständigem Wert sein, unabhängig von der Studie der Ladungsträgerdynamik.Schließlich werden wir durch die Kombination von nano-Röntgenanalyse mit zeitlich synchronisierten Laserpulsen untersuchen, wie über die konversen Piezo- und Flexoeffekte eine Änderung der Ladungsträgerdichte die Verbiegung der Nanodrähte beeinflusst. Zudem werden wir gerade Nanodrähte zu starken mechanischen Oszillationen anregen und somit dynamisch verbiegen. Auf diese Weise werden wir für weitergehende Experimente eine kontinuierliche Variation des Krümmungsradius erzeugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Oliver Brandt