Quantenpunkt-Spektroskopie bei tiefen Temperaturen

Quantenpunkte sind stabile Lichtquel­len mit sehr breitem Farb­spektrum. Sie kommen vor allem in der Unter­hal­tungselektronik zur An­wen­dung. Weitere Anwendungs­fel­der finden sich in Solarzellen, wo sie als durchstimmbare Absorber eingesetzt werden, sowie in der Forschung, wo man sie als Ein-Photonen-Quelle für Quantencomputer oder Quanten­kryptographie verwendet.

Halbleiter-Nanokristalle lassen sich im Epitaxieverfahren oder mittels Kolloidchemie in einer Lösung herstellen. In beiden Fällen sorgt ihre geringe Größe von nur einigen Nanometern für Quantenverhalten. Die charakteristischen Absorptions- und Emissionslinien können dabei über die Größe der Partikel kontrolliert werden. Die Temperatur hat ebenfalls einen direkten Einfluss auf das Verhalten der Partikel.
Durch Messungen bei tiefen Tem­pe­raturen lässt sich viel über das Ver­halten dieser kleinen Struk­tu­ren lernen. Gerade für die Unter­suchung von Quanten-Emittern ist die Temperatur eine kritische Va­ria­b­le. Bei Raumtemperatur werden viele Effekte durch die thermische Energie überdeckt und feine spektrale Strukturen können aufgrund der hohen Linienbreite nicht aufgelöst werden.

In einem Halbleiter kann ein Elektron durch die Absorption eines Photons in das Leitungsband gehoben werden, wobei ein positiv geladenes Loch im Valenzband zurück bleibt. Die Coulomb-Anziehung zwischen Elek­tron und Loch formt einen Quasi-Par­tikel, der als Exziton be­zeich­net wird. Exzitonen lassen sich nur be­obachten, wenn die thermi­sche Ener­gie der Umgebung geringer als die Bindungsenergie des Ex­zitons ist. Da­her sind für Bulk-Ma­terialien Mes­sungen bei sehr tiefen Tem­peraturen erforderlich.

In Quantenpunkten können Exzitonen über einen größeren Temperaturbereich bestehen, weil sie eine deutlich größere Bindungsenergie haben. Da Quan­tenpunkte nur eine sehr geringe räumliche Ausdehnung haben, sind sie sehr empfindlich hinsichtlich Kris­tall­struk­tur, Dotiersubstanzen und Ver­un­­­reinigungen. Diese Para­meter formen die komplexe Fein­struktur der Ex­zitonen.
Die Aufspaltung der Energieniveaus in gewöhnlichen Kolloid-Quantenpunk­ten beträgt einige meV – zu wenig um bei Raumtemperatur beobachtet werden zu können. Dazu kommt, dass bei Raumtemperatur die Störungen durch Phononen erheblich größer und die Kohärenzzeiten geringer sind als bei tiefen Temperaturen. Um die Mechanismen der Quantenpunkte zu verstehen, wird ein möglichst störungsfreies System benötigt. Dazu kann die Temperatur selbst als Para­me­ter verwendet werden um die Ei­gen­schaften eines Quantenpunktes, z. B. die Population der Exzitonen, zu ver­ändern.

Während Elektron-Loch-Paare neu­tra­le Exzitonen bilden, kann durch das Hinzufügen eines weiteren Ladungs­trägers ein geladenes Exzi­ton (Trion) entstehen. Zwei Elek­tronen und zwei Löcher formen ein Biexziton. Jeder dieser Quasipartikel hat seine speziellen interessanten Eigenschaften. Der unpaarige Spin in einem Trion kann quantenmechanisch durch polarisiertes Licht oder angelegte elektrische bzw. magnetische Felder manipuliert werden. Die Bindungsenergien der verschiedenen Mehr-Körper-Exzi­tonen sind sehr ähnlich, so dass sie bei Raumtemperatur oft in dieselbe Linienbreite fallen. Nur bei kryogenen Temperaturen werden diese unterschiedlichen Energieniveaus sichtbar.

Messungen bei tiefen Temperaturen gestalten sich oft schwierig. Die Kalt­köpfe von Kryostaten können erhebliche Vibrationen verursachen, und die Quantensysteme sind oft sehr vibrationsempfindlich. Unsere Cryo­sta­tion C2 bietet eine extrem stabile Probenplattform mit weniger als 5 nm-Vibrationen, Peak-to-Peak. Die Probe kann über lange Zeit bei einer konstanten Temperatur gehalten werden. So kann eine Probe über Tage und Wochen in stabiler Umgebung gemessen werden. Mit dem integrierten Mikroskop (NA: 0,9) lassen sich mehr als doppelt so viele Photonen sammeln wie mit dem besten externen Objektiv, welches zudem außerhalb des Kryostaten installiert werden müsste. Die äußerst geringe Drift der Probenbühne erlaubt lange In­te­grationszeiten, die für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis sorgen.

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