Dieses Buch präsentiert Ergebnisse der Grundlagenforschung an Graphen. Nach einer kritischen Auseinandersetzung mit dem Begriff des Graphen-Zeitalters werden zwei Studien aus dem Bereich der Kurzzeitspektroskopie im mittleren Infrarotbereich vorgestellt. Eine konsistene Reihe von Herleitungen vermittelt didaktisch die benötigten Grundlagen zum Einstieg in die Forschungsarbeiten. Durch die Verwendung des Freie-Elektronen-Lasers FELBE in einem Photonenergiebereich unterhalb der optischen Phononenergie in Graphen von 200 meV kann in diesen Studien die Streuung der Ladungsträger mit diesen Phononen effizient unterdrückt werden. Hierdurch wird ein unverstellter Blick auf die verbleibenden Prozesse der Ladungsträgerdynamik freigegeben.
In einer ersten Studie wird so mittels polarisationsaufgelöster Anregungs-Abfrage-Experimente die zuvor weit verbreitete Hypothese einer universell gültigen nahezu instantanen Thermalisierung einer optisch induzierten Nichtgleichgewichtsverteilung des elektronischen Systems widerlegt. In einer zweiten Studie werden durch entartetes Vier-Wellen Mischen in Landau-quantisiertem Graphen die nichtlinearen optischen Eigenschaften dieses Materials nachgewiesen. Während die gemessenen Nichtlinearitäten in Graphen unter Abwesenheit magnetischer Felder den Erwartungen bislang nicht gerecht werden, konnte hier für Landau-quantisiertes Graphen die Größenordnung der Suszeptibilität dritter Ordnung, sowie das Resonanzverhalten experimentell im Einklang mit den Vorhersagen bestätigt werden. Beide Studien leisten so einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Ladungsträgerdynamik in Graphen.
Aktualisiert: 2023-05-15
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Lichtemittierende Dioden (LEDs) auf Basis des Materialsystems (In)AlGaN, die im ultravioletten (UV) Spektralbereich abstrahlen, werden unter anderem in der medizinischen Phototherapie, beim Pflanzenwachstum oder zur Desinfektion eingesetzt. Mit kurzwelligem UVC-Licht lassen sich auch Mikroben wie Viren inaktivieren, wodurch UV-LEDs auch dabei helfen können, die Ausbreitung von SARS-CoV-2 zu verringern. Allerdings nimmt im Langzeitbetrieb die optische Leistung der UV-LEDs schnell ab. Damit einher geht eine geringe Lebensdauer von einigen hundert bis tausend Stunden, die dem breiten Einsatz von UV-LEDs bislang im Weg steht.
Ziel dieser Arbeit war es, die physikalischen Ursachen zu finden, die zu der betriebsbedingten Leistungsabnahme von UVB- und UVC-LEDs führen. Hierzu wurde der Einfluss der LED-Betriebsparameter, des Chipdesigns, der Halbleiterschichtstruktur und deren Kristallqualität auf die Lebensdauer der LEDs untersucht. Dabei stellte sich die Stromdichte als der wesentliche Beschleunigungsfaktor der Degradation heraus, wofür eine mathematische Beschreibung hergeleitet wurde. Zudem wurde aufgedeckt, dass hohe Ladungsträgerdichten in der aktiven Zone die LED-Lebensdauer verkürzen. Durch eine verbesserte Kristallqualität ließ sich jedoch die Lebensdauer der LEDs signifikant auf mehr als 10.000 h erhöhen, was den breiten Einsatz von UV-LEDs ermöglicht.
Die experimentellen Ergebnisse in Verbindung mit theoretischen Simulationen des Ladungsträgertransports legen nahe, dass die betriebsbedingte Leistungsabnahme maßgeblich durch die Auger-Rekombination angetrieben wird. Im Ergebnis kann erstmalig ein quantitativ begründetes Degradationsmodell aufgestellt werden.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Halbleiterlaser sind für vielfältige Anwendungen in vielen Wellenlängen kommerziell verfügbar. Im tiefen UV mit Wellenlängen < 300 nm jedoch konnten bisher keine elektrisch pumpbaren Laserdioden realisiert werden – trotz einer Fülle interessanter Applikationen.
Um dies langfristig zu ändern, beschäftigt sich die vorliegende Dissertation mit der Realisierung und Optimierung optisch pumpbarer Laserstrukturen auf Basis von Aluminiumgalliumnitrid.
Durch die Analyse dieser einfacheren Bauelemente soll ein besseres Verständnis der relevanten physikalischen Parameter erreicht werden.
Dazu wird in der Arbeit zunächst das Wachstum der Halbleiter-Heterostrukturen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie in Simulationen und experimentell untersucht. Es zeigt sich, dass Silizium je nach Wachstumsbedingungen unterschiedlich stark aus den Reaktorteilen ausdampft und in die Halbleiterschichten eingebaut wird. Die ersten realisierten Laser zeigten aufgrund einer sehr dicken AlN-Deckschicht hohe Schwellen von > 10 MW/cm², dafür aber auch die kürzeste bisher demonstrierte Emissionswellenlänge im verwendeten Materialsystem.
Im weiteren Verlauf der Arbeit werden die Einflüsse von Quantenfilmdicke und -anzahl, Substratfehlschnitt und Siliziumdotierung in verschiedenen Schichten auf die Laserschwellen sowie die interne Quanteneffizienz untersucht. Es zeigt sich, dass eine geringere Quantenfilmanzahl die nichtstrahlende Rekombination an Heterogrenzflächen verringert und dass Silizium in Abhängigkeit von der Dotierkonzentration die Dichte der Gruppe-III-Vakanzen sowie die Häufigkeit von Bandlückenfluktuationen beeinflusst. Dank der dabei gewonnenen Erkenntnisse konnten die Laserschwellen auf < 1 MW/cm² mit einem Bestwert von 640 kW/cm² reduziert werden.
Aktualisiert: 2021-04-16
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Pulsformung zur schädigungsarmen Laserbearbeitung von Silizium
Aktualisiert: 2021-12-16
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Dieses Buch präsentiert Ergebnisse der Grundlagenforschung an Graphen. Nach einer kritischen Auseinandersetzung mit dem Begriff des Graphen-Zeitalters werden zwei Studien aus dem Bereich der Kurzzeitspektroskopie im mittleren Infrarotbereich vorgestellt. Eine konsistene Reihe von Herleitungen vermittelt didaktisch die benötigten Grundlagen zum Einstieg in die Forschungsarbeiten. Durch die Verwendung des Freie-Elektronen-Lasers FELBE in einem Photonenergiebereich unterhalb der optischen Phononenergie in Graphen von 200 meV kann in diesen Studien die Streuung der Ladungsträger mit diesen Phononen effizient unterdrückt werden. Hierdurch wird ein unverstellter Blick auf die verbleibenden Prozesse der Ladungsträgerdynamik freigegeben.
In einer ersten Studie wird so mittels polarisationsaufgelöster Anregungs-Abfrage-Experimente die zuvor weit verbreitete Hypothese einer universell gültigen nahezu instantanen Thermalisierung einer optisch induzierten Nichtgleichgewichtsverteilung des elektronischen Systems widerlegt. In einer zweiten Studie werden durch entartetes Vier-Wellen Mischen in Landau-quantisiertem Graphen die nichtlinearen optischen Eigenschaften dieses Materials nachgewiesen. Während die gemessenen Nichtlinearitäten in Graphen unter Abwesenheit magnetischer Felder den Erwartungen bislang nicht gerecht werden, konnte hier für Landau-quantisiertes Graphen die Größenordnung der Suszeptibilität dritter Ordnung, sowie das Resonanzverhalten experimentell im Einklang mit den Vorhersagen bestätigt werden. Beide Studien leisten so einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Ladungsträgerdynamik in Graphen.
Aktualisiert: 2023-04-17
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