entdeckt_02_2012

TITEL// Das Forschungsmagazin aus dem HZDR WWW.Hzdr.DE 28 29 werden Quantenpunkte auch „künstliche Atome“ genannt. „Wenn Elektronen vom höherenergetischen auf ein tieferes Niveau wechseln, strahlen auch sie, wie bei den Leuchtdioden, Licht aus. Die Abteilung Halbleiter-Spektroskopie im HZDR, zu der ich gehöre, hat sich in letzter Zeit stärker auf Quan- tenpunkte fokussiert. Wir sehen in ihnen viel Potenzial und man könnte ihre besonderen Eigenschaften nutzen, um sehr energieeffiziente Laser auf der Basis von Quantenpunkten zu entwickeln und die Farbe des Lasers genau einzustellen“, er- klärt Stephan Winnerl sein Interesse an den Nano-Pyramiden. Allerdings gibt es ein Problem: Zwar entstehen die Pyramiden „von selbst“ durch eine bestimmte Art des Kristallwachstums, allerdings schwankt ihre Größe in einem gewissen Bereich. Untersucht man sie mit infrarotem Licht, so sieht man verwaschene Signale, weil die Elektronen in unterschiedlich großen Pyramiden auf verschiedene Infrarot-Energien ansprechen. Somit ist es für die Forscher aus der Abteilung Halbleiter-Spektroskopie besonders wichtig, sich die gefan- genen Elektronen in einem einzelnen Quantenpunkt im Detail anzusehen. Sie nutzen hierfür eine besondere Methode: die Nahfeld-Mikroskopie. Laserlicht wird auf eine metallische, weniger als 100 Nanometer dicke Spitze eingestrahlt, die das Licht stark bündelt – und zwar hundertfach kleiner als die Lichtwellenlänge, welche sonst die Grenze in der „normalen“ Optik mit Linsen und Spiegeln darstellt. Wird das gebündelte Licht auf genau eine Pyramide gelenkt, gibt es Energie an die Elektronen ab und hebt sie so auf ein höheres Energieniveau an. Beobachtet man bei diesem Vorgang das von der Spitze gestreute Infrarotlicht, wird der Energieübertrag messbar. Damit ist es den Dresdner Forschern vom HZDR sowie von der TU Dresden und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden erstmals gelungen, nur Zustände im Leitungsband in einzelnen Quantenpunkten mit Hilfe von Infrarotlicht abzufragen. Mit den erfolgreichen Experimenten tragen die Wissenschaftler dazu bei, die elek- tronischen und optischen Eigenschaften von Quantenpunkten noch besser zu verstehen. Die Nahfeld-Mikroskopie wurde zusammen mit Lukas Eng von der Technischen Universität Dresden für den Freie-Elek- tronen-Laser in Rossendorf perfektioniert. Sie funktioniert mittlerweile sehr gut. Mit ihr gehen zwar hohe Signalverluste einher, doch ist der Lichtstrahl immer noch stark genug, um die Elektronen in einer einzelnen Nano-Pyramide anzuregen. Die Methode ist gleichzeitig so empfindlich, dass man damit ein Bild im Nanometerbereich erzeugen kann, auf dem sich die ein oder zwei Elektronen in einem Quantenpunkt als deutlicher Kontrast abzeichnen. Für derartige Untersuchungen ist der Freie-Elektronen-Laser eine ideale Strahlungsquelle im infraroten Bereich, weil die Energie seines Lichts so eingestellt werden kann, dass sie genau zu den Energieniveaus in den Quantenpunkten passt. Auch liefert der Laser im HZDR derart intensive Strahlung, dass die methodisch zwangsläufigen Verluste leicht wett- gemacht werden können. „Als nächstes wollen wir das Verhalten von Elektronen in Quantenpunkten bei tieferen Temperaturen durchleuchten“, sagt Stephan Winnerl. „Von diesen Messungen erhoffen wir uns noch genauere Einblicke in das Eigenleben der Elektronen. Wir wollen insbesondere die Wechselwirkung der Elektronen untereinander, aber auch mit den Schwingungen des Kristallgitters noch viel besser verstehen.“ Der Freie-Elektronen-Laser bietet jedenfalls dank der intensiven Laserblitze in einem großen, frei wählbaren Spektralbereich beste Möglichkeiten, eine Vielzahl weiterer interessanter Themen aus dem merkwürdigen Leben von Elektronen zu erforschen. Diese Forschungsarbeiten werden unter anderem im Schwer- punktprogramm „Graphen“ der Deutschen Forschungsgemein- schaft sowie mit Mitteln der Europäischen Union gefördert. PUBLIKATIONEN: S. Winnerl u.a.: „Carrier dynamics in epitaxial graphene close to the Dirac point“, in Physical Review Letters, Bd. 107 (2011), S. 237401 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.237401) R. Jacob, S. Winnerl u.a.: „Intersublevel spectroscopy on single InAs-quantum dots by terahertz near-field micros- copy“, in Nano Letters, Bd. 12 (2012), S. 4336 (DOI: 10.1021/ nl302078w) WABENGEBILDE: Sechseckige kristalline Struktur von Graphen in Form einer Bienenwabe. Schema: © AlexanderAlUS – Wikipedia Kontakt _Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung im HZDR Dr. Stephan Winnerl s.winnerl@hzdr.de Prof. Manfred Helm m.helm@hzdr.de

entdeckt_02_2012

Pages