title: On the Phonon Interactions and Terahertz Excitations among Coulomb-correlated Charge Carriers of Semiconductors
title: On the Phonon Interactions and Terahertz Excitations among Coulomb-correlated Charge Carriers of Semiconductors
title: Über die Phononwechselwirkungen und Terahertzanregungen zwischen Coulomb-korrelierten Ladungsträgern von Halbleitern
Creators: name: Böttge, Christoph N.
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Terahertz , Magnetoexziton
Theoretische Physik
Physik
microcavity
Nanostruktur
Mikrokavität
Zinkoxid , Cadmiumsulfid
Halbleiterphysik
Longitudinal-optische Phononen
longitudinal-optical phonons
Bulk , Heterostruktur
Halbleiter
Theorie
terahertz, magnetoexciton
Quantenwell

description: The first part of this thesis deals
      with the elementary interaction between charge carriers and
      lattice vibrations in semiconductors. The investigations are
      separated into two projects presented in Chaps. 3 and 4 where
      the effects of lattice vibrations on the semiconductor
      luminescence are discussed. In a quantum-mechanical sense,
      these delocalized excited states of vibrational modes in the
      crystal structure may be described by a quasiparticle called
      phonon. Among others, longitudinal-optical phonons may also
      participate in electron-hole recombination giving rise to
      pronounced replicas, so-called phonon sidebands, in the
      photoluminescence spectrum of a semiconductor. It is
      well-known that a dielectrically structured environment
      substantially alters the luminescence spectra and appearing
      resonances if a semiconductor nanostructure such as a quantum
      well is placed at an antinode of the intracavity field.
      Tuning the microcavity resonance to coincide with the
      1s-exciton resonance such that the resonance of the resonator
      and of the active material are degenerate leads to the famous
      scenario of normal-mode coupling where the resonance splits
      into two peaks. On the basis of this thoroughly investigated
      system, the earlier phonon-related studies are extended in
      Chap. 3 of this thesis. The discussion delves into the
      question how a dielectric environment modifies and influences
      the phonon-assisted photoluminescence. Here, not only a
      cavity whose resonance frequency coincides with the
      1s-exciton resonance is explored but, in particular, a cavity
      which is detuned to be resonant with the first phonon
      sideband of the semiconductor emission. After a detailed
      numerical study of the different cavity configurations, the
      analysis is topped off by a rigorous analytic model. The
      second phonon-related project is presented in Chap. 4 where
      the origin of scattering between carriers and phonons is
      scrutinized in detail. Set by the crystal structure, a
      semiconductor material may exhibit strong polar behavior.
      Thus, depending on the structure and system configuration,
      either polar carrier-phonon interaction or non-polar
      carrier-phonon scattering prevails in the semiconductor
      material. Additionally, the Coulomb attraction modifies the
      interaction behavior between charge carriers and lattice
      vibrations such that single carriers behave differently than
      an interacting many-body system. This raises the question
      under which conditions and on which basis an intrinsically
      polar material may be dominated by non-polar carrier-phonon
      scattering. Supported by experimentally measured
      phonon-assisted photoluminescence spectra, a systematic
      many-body theory is presented to explain the origin of
      exciton-phonon interaction in polar semiconductors and
      identify its role in an interacting many-body system. The
      Coulomb interaction in many-body systems is not only of
      particular importance for mediating the coupling among
      excitons and LO phonons but also plays a crucial role in
      intra-exciton transitions where diffusive Coulomb scattering
      gives rise for extensions of the usual dipole-selection
      rules. The energies of far-infrared (FIR) fields at terahertz
      frequencies are in the range of milli-electron volts and thus
      three orders of magnitude smaller than typical band-gap
      energies. Since the internal energy structure of correlated
      semiconductor many-body states falls in this meV range, THz
      spectroscopy is an unambiguous method to probe these systems,
      i.e., identify exciton populations, and to induce controlled
      transitions between the excited quasi-particle states.
      Consequently, the combination of pulsed optical and THz
      fields allows not only for the creation of many-body
      excitations but also for the characterization of their
      dynamic evolution and the controlled manipulation of the
      involved quantum states. Applying an external magnetic field,
      both the exciton properties and THz-induced intra-exciton
      transitions may be modified. Chapter 5 focuses on the control
      and manipulation of the intra-exciton carrier transfer by
      magnetic-field effects. Experimental findings are
      corroborated by a theoretical description, rigorously
      expanded by fully including linear and nonlinear
      magnetic-field contributions to the total-system
      Hamiltonian.
description: Der erste Teil dieser Dissertation
      behandelt die elementaren Wechselwirkungen zwischen
      Ladungsträgern und Gitterschwingungen in Halbleitern. Die
      Untersuchungen sind unterteilt in zwei Projekte, welche in
      den Kapiteln 3 und 4 zusammengefasst sind und die Effekte von
      Gitterschwingungen auf die Lumineszenz von Halbleitern
      beschreiben. Im quantenmechanischen Sinn können diese
      delokalisierten, angeregten Zustände der Schwingungsmoden
      innerhalb der Kristallstruktur durch ein Quasiteilchen
      beschrieben werden, das Phonon genannt wird.
      Longitudinal-optische Phononen können u.a. zur
      Elektron-Loch-Rekombination beitragen, was zur Entstehung
      ausgeprägter Repliken, den sogenannten Phononseitenbändern,
      im Photolumineszenzspektrum eines Halbleiters führt. Es ist
      wohlbekannt, dass eine dielektrisch strukturierte Umgebung
      wesentlich zur Veränderung von Lumineszenzspektren und den
      auftretenden Resonanzen beiträgt, sobald eine
      Halbleiter-Nanostruktur, wie beispielsweise ein Quantenfilm,
      in den Schwingungsbauch des intrakavitären Feldes
      positioniert wird. Wird die Resonanz der Mikrokavität so
      eingestellt, dass sie mit der 1s-Exzitonresonanz
      übereinstimmt, sodass die Resonanz des Resonators und des
      aktiven Materials entartet sind, führt dies zu dem berühmten
      Szenario der Normalmodenkopplung, bei welcher die Resonanz in
      zwei Resonanzen aufspaltet. Auf Grundlage dieses ausgiebig
      untersuchten Systems werden die frühere Untersuchungen an
      Phononen in Kapitel 3 erweitert und sich eingehend mit der
      Frage befasst, wie eine dielektrische Umgebung die
      phonon-assistierte Photolumineszenz modifiziert und
      beeinflusst. Hierbei wird nicht nur eine Kavität untersucht,
      deren Resonanzfrequenz mit der 1s-Exzitonenergie
      übereinstimmt, sondern vor allem auch eine Kavität, die so
      verstimmt ist, dass sie mit dem ersten Phononseitenband des
      Emissionsspektrums resonant ist. Nach einer detaillierten
      numerischen Studie der verschiedenen Kavitätskonfigurationen
      wird die Analyse durch ein analytisches Modell abgerundet.
      Das zweite Projekt, welches sich mit Phononen befasst, ist in
      Kapitel 4 beschrieben. Hier wird der Ursprung der
      Streumechanismen zwischen Ladungsträgern und Phononen
      detailliert untersucht. Aufgrund ihrer Kristallstruktur
      können Halbleitermaterialien stark polares Verhalten
      aufweisen. Hierdurch bedingt können, abhängig von der
      Struktur und der Systemkonfiguration, entweder die polare
      Wechselwirkung oder die nicht-polare Streuung zwischen
      Ladungsträgern und Phononen im Halbleitermaterial
      vorherrschend sein. Darüber hinaus verändert die
      Coulomb-Anziehung das Wechselwirkungsverhalten zwischen
      Ladungsträgern und Gitterschwingungen, sodass sich einzelne
      Ladungsträger anders verhalten als ein wechselwirkendes
      Vielteilchensystem. Dies wirft die Frage auf, unter welchen
      Umständen und aufgrund welcher Basis ein immanent polares
      Material von nicht-polarer Streuung zwischen Ladungsträgern
      und Phononen dominiert werden kann. Unterstützt von
      experimentell gemessenen phonon-assistierten
      Photolumineszenzspektren wird eine systematische
      Vielteilchentheorie vorgestellt, um den Ursprung der
      Exziton-Phonon-Wechselwirkung in polaren Halbleitern zu
      erklären und die Rolle eines wechselwirkenden
      Vielteilchensystems zu identifizieren. Die
      Coulomb-Wechselwirkung in Vielteilchensystemen ist nicht nur
      zur Vermittlung der Kopplung zwischen Exzitonen und
      LO-Phononen von essentieller Bedeutung, sondern spielt auch
      für intra-exzitonische Übergänge eine wesentliche Rolle, bei
      welchen diffusive Coulomb-Streuung zur Erweiterung der
      gewöhnlichen Dipolauswahlregeln führt. Die Energien des
      ferninfraroten Feldes bei Terahertzfrequenzen liegen im
      Bereich von Millielektronenvolt und sind damit drei
      Größenordnungen kleiner als typische Bandlückenenergien. Da
      die interne Energiestruktur von korrelierten
      Halbleiter-Vielteilchenzuständen in den meV-Bereich fällt,
      ist THz-Spektroskopie eine eindeutige und geeignete Methode,
      um diese Systeme zu untersuchen, also Exzitonpopulationen zu
      identifizieren und kontrollierte Übergänge zwischen den
      angeregten Quasiteilchenzuständen zu induzieren. Folglich
      ermöglicht die Kombination von gepulsten, optischen Feldern
      und Terahertzfeldern nicht nur die Erzeugung von
      Vielteilchenanregungen, sondern auch die Charakterisierung
      ihrer dynamischen Entwicklung sowie die kontrollierte
      Manipulation der beteiligten Quantenzustände. Unter Anwendung
      eines magnetischen Feldes können sowohl die
      Exzitoneigenschaften als auch die THz-induzierten
      intra-exzitonischen Übergänge modifiziert werden. In Kapitel
      5 wird das Augenmerk auf die Effekte gerichtet, die ein
      Magnetfeld auf die Kontrolle und die Manipulation des
      intra-exzitonischen Ladungsträgertransfers hat. Die
      experimentellen Ergebnisse werden durch eine theoretische
      Beschreibung untermauert, in welcher der Hamilton-Operator
      des Gesamtsystems durch die Berücksichtigung linearer und
      nichtlinearer Beiträge des Magnetfeldes wesentlich erweitert
      wird.