Starke Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleiter-Mikroresonatoren führt zur Ausbildung von Eigenmoden mit gemischtem Licht-Materie-Charakter, die als Polaritonen bezeichnet werden. Die besonderen Eigenschaften dieser bosonischen Quasiteilchen können zur Realisierung neuartiger Bauteile genutzt werden, wie etwa des Polariton-Lasers, der auf stimulierter Streuung beruht anstatt auf stimulierter Emission, durch die Photon-Lasing ausgelöst wird. Durch den direkten Zugang zu Polariton-Zuständen in spektroskopischen Experimenten, sowie durch die Möglichkeit mit vielfältigen Mitteln nahezu beliebige Potentiallandschaften definieren zu können, eröffnen sich zahlreiche weitere Anwendungsgebiete, etwa in der Quantensimulation bzw. -emulation. Mittels externer elektrischer und magnetischer Felder können Erkenntnisse über Polaritonen gewonnen werden, die in rein optischen Experimenten nicht zugänglich sind. Durch die Felder, die nicht mit rein photonischen Moden wechselwirken, kann auf den Materie-Anteil der Hybridmoden zugegriffen werden. Weiterhin können die Felder zur in-situ Manipulation der Polariton-Energie genutzt werden, was für die Erzeugung dynamischer Potentiale relevant werden könnte. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Betrachtung verschiedener Phänomene der Licht-Materie-Wechselwirkung unter dem Einfluss äußerer Felder. Dazu wurden auf das jeweilige Experiment abgestimmte Strukturen und Bauteile hergestellt und in magneto-optischen oder elektro-optischen Messungen untersucht. Um elektrische Felder entlang der Wachstumsrichtung anlegen zu können, d.h. in vertikaler Geometrie, wurden dotierte Resonatoren verwendet, die mit elektrischen Kontakten auf der Probenoberfläche und -rückseite versehen wurden. In diesen Bauteilen wurde die Energieverschiebung im elektrischen Feld untersucht, der sogenannte Stark-Effekt. Dieser im linearen Regime bereits mehrfach demonstrierte Effekt wurde systematisch auf den nichtlinearen Bereich des Polariton-Lasings erweitert. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf die Probengeometrie und deren Einfluss auf die beobachteten Energieverschiebungen gelegt. Die Untersuchungen von Proben mit planarer, semi-planarer und Mikrotürmchen-Geometrie zeigen, dass ein lateraler Einschluss der Ladungsträger, wie er im Mikrotürmchen erzielt wird, zu einer Umkehrung der Energieverschiebung führt. Während in dieser Geometrie mit zunehmender Feldstärke eine Blauverschiebung des unteren Polaritons gemessen wird, die durch Abschirmungseffekte erklärt werden kann, wird in planarer und semi-planarer Geometrie die erwartete Rotverschiebung beobachtet. In beiden Fällen können, je nach Verstimmung, Energieverschiebungen im Bereich von einigen hundert µeV gemessen werden. Die gemessenen Energieverschiebungen zeigen gute Übereinstimmung mit den Werten, die nach einem Modell gekoppelter Oszillatoren berechnet wurden. Weiterhin werden vergleichbare Energieverschiebungen unter- und oberhalb der Schwelle zum Polariton-Lasing beobachtet, sodass der Polariton-Stark-Effekt als eindeutiges Merkmal erachtet werden kann, anhand dessen optisch angeregte Polariton- und Photon-Laser eindeutig unterschieden werden können. Wird das elektrische Feld nicht entlang der Wachstumsrichtung angelegt, sondern senkrecht dazu in der Ebene der Quantenfilme, dann kommt es schon bei geringen Feldstärken zur Feldionisation von Elektron-Loch-Paaren. Um diese Feldgeometrie zu realisieren, wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem Kontakte direkt auf die durch einen Ätzvorgang teilweise freigelegten Quantenfilme eines undotierten Mikroresonators aufgebracht werden. Durch das Anlegen einer Spannung zwischen den lateralen Kontakten kann die Polariton-Emission unterdrückt werden, wobei sich die Feldabhängigkeit der Polariton-Besetzung durch ein Modell gekoppelter Ratengleichungen reproduzieren lässt. Die neuartige Kontaktierung erlaubt es weiterhin den Photostrom in den Quantenfilmen zu untersuchen, der proportional zur Dichte freier Ladungsträger ist. Dadurch lässt sich zeigen, dass die zwei Schwellen mit nichtlinearem Anstieg der Emission, die in derartigen Proben häufig beobachtet werden, auf grundsätzlich verschiedene Verstärkungsmechanismen zurückgehen. An der zweiten Schwelle wird ein Abknicken des leistungsabhängigen Photostroms beobachtet, da dort freie Ladungsträger als Reservoir des Photon-Lasings dienen, deren Dichte an der Schwelle teilweise abgeklemmt wird. Die erste Schwelle hingegen, die dem Polariton-Lasing zugeordnet wird, hat keinen Einfluss auf den linear mit der Anregungsleistung ansteigenden Photostrom, da dort gebundene Elektron-Loch-Paare als Reservoir dienen. Mittels angepasster Ratengleichungsmodelle für Polariton- und Photon-Laser lässt sich der ermittelte Verlauf der Ladungsträgerdichte über den gesamten Leistungsbereich qualitativ reproduzieren. Abschließend wird durch ein magnetisches Feld der Einfluss der Licht-Materie-Wechselwirkung auf die Elektron-Loch-Bindung im Regime der sehr starken Kopplung beleuchtet. Durch die Messung der diamagnetischen Verschiebung wird der mittlere Elektron-Loch-Abstand von unterem und oberem Polariton für zwei Resonatoren mit unterschiedlich starker Licht-Materie-Wechselwirkung bestimmt. Bei geringer Kopplungsstärke werden die Hybridmoden in guter Näherung als Linearkombinationen der ungekoppelten Licht- und Materie-Moden beschrieben. Für den Resonator mit großer Kopplungsstärke wird eine starke Asymmetrie zwischen unterem und oberem Polariton beobachtet. Die diamagnetische Verschiebung des oberen Polaritons steigt mit zunehmender Verstimmung auf bis etwa 2,1 meV an, was fast eine Größenordnung über der Verschiebung des unteren Polaritons (0,27 meV) bei derselben Verstimmung liegt und die Verschiebung des ungekoppelten Quantenfilms um mehr als den Faktor 2 übersteigt. Das bedeutet, dass das untere Polariton durch eine Wellenfunktion beschrieben wird, dessen Materie-Anteil einen verringerten mittleren Elektron-Loch-Abstand aufweist. Im oberen Polariton ist dieser mittlere Radius deutlich größer als der eines Elektron-Loch-Paars im ungekoppelten Quantenfilm, was sich durch eine von Photonen vermittelte Wechselwirkung mit angeregten und Kontinuumszuständen des Quantenfilms erklären lässt. / Strong light-matter interaction in semiconductor microcavities leads to the formation of eigenmodes with mixed light-matter characteristics, so-called polaritons. The unique properties of these bosonic quasiparticles may be exploited to realize novel devices, such as polariton-lasers which rely on stimulated scattering instead of stimulated emission, which in turn triggers photon-lasing. Polariton states are directly accessible in spectroscopic experiments and can be subjected to almost arbitrary potential landscapes which could lead to numerous applications, for instance in quantum simulation or emulation. External electric and magnetic fields can be used to gain insights into polaritons that are not available in all-optical experiments. The matter part of the hybrid modes is accessed by the external fields that do not interact with purely photonic modes. Furthermore, in-situ manipulation of the polariton energy by external fields could be used to create dynamic potentials. This thesis is therefore focussed on studying different aspects of light-matter coupling under the influence of external fields. To this end, structures and devices tailored to the specific experiments were fabricated and investigated in electro-optical or magneto-optical measurements. Doped microcavities with electrical contacts on the sample surface and back side were used to apply electric fields along the growth direction, i.e. in vertical geometry. The energy shift in an electric field, the so-called Stark effect, was investigated in these devices. In this work, measurements of the polariton Stark effect, which has previously been demonstrated in the linear regime, were systematically extended to the nonlinear regime of polariton-lasing with special attention paid to the sample geometry and its influence on the observable energy shifts. Investigations of samples with planar, semi-planar and micropillar geometries show that lateral carrier confinement in a micropillar leads to an inversion of the energy shift. While in this geometry a blueshift with increasing field strength is measured, which can be explained by screening effects, the expected redshift is restored in planar and semi-planar geometries. In both cases, detuning-dependent energy shifts of up to hundreds of µeV are observed in good agreement with values calculated with a model of coupled harmonic oscillators. Furthermore, comparable shifts below and above the polariton-lasing threshold are observed both in the semi-planar and in the micropillar geometry. The polariton Stark effect may therefore be considered as criterion to unambiguously distinguish optically excited polariton- and photon-lasers. If the electric field is not oriented along the growth direction but perpendicular to it, i.e. in the plane of the quantum wells, then field ionization of electron-hole pairs occurs already at low field strengths. To realize this field geometry, a process was developed to deposit electrical contacts directly onto the quantum wells of an undoped microcavity which are partially exposed in an etching step. The polariton emission can be suppressed by applying voltage to the lateral contacts and the dependency of the polariton occupation upon the electric field is reproduced using a set of coupled rate equations. This novel contacting technique furthermore allows to measure the photocurrent in the quantum wells which is proportional to the free carrier density. The two thresholds of nonlinear emission, which are commonly observed in similar samples, can then be shown to rely on fundamentally different gain mechanisms. A kink in the power dependence of the photocurrent is observed at the second threshold, where free carriers act as reservoir for photon-lasing which is why their density is partially clamped at threshold. The first threshold on the other hand, which is attributed to polariton-lasing, has no influence on the linear increase of the photocurrent with increasing excitation power, since there bound electron-hole pairs act as reservoir. The experimentally determined power dependence of the photocurrent is reproduced qualitatively over the whole range of excitation powers using adapted rate equation models for polariton- and photon-lasers. Finally, a magnetic field is used to reveal the impact of light-matter interactions on electron-hole coupling in the regime of very strong coupling. By measuring the diamagnetic shift, the average electron-hole separations of lower and upper polariton are determined for two microcavities with different light-matter coupling strengths. At small coupling strength, describing the hybrid modes as linear combinations of uncoupled light and matter modes is a valid approximation. At large coupling strength, significant asymmetries between lower and upper polariton are observed. With increasing detuning, the upper polariton diamagnetic shift increases up to 2.1 meV, almost an order of magnitude larger than the lower polariton shift (0.27 meV) at the same detuning and more than twice as large as the bare quantum well diamagnetic shift. Thus, the lower polariton is described by a wavefunction with a matter part exhibiting a decreased average electron-hole separation. For the upper polariton, this average radius is much larger than that of an electron-hole pair in the uncoupled quantum well which can be explained by photon-mediated interactions with excited and continuum states of the quantum well.

In the context of the ongoing discussion about a carrier-induced ferromagnetic phase transition in diluted-magnetic II-VI semiconductors (DMS), theoretical studies on coherent dynamics of localized spins coupled with a two-dimensional hole gas (2DHG) in DMS quantum wells (QWs) were done by K.V. KAVOKIN. His key for studying the exchange interaction of the localized spin ensemble (e.g. Mn2+) with the 2DHG is the Larmor frequency of the localized Mn-ion spins and thus their Mn-g-factor. It was shown that the 2DHG affects a time evolution of the (Mn-) spin system in an in-plane magnetic field resulting in the reduction of its Larmor frequency (Mn-g-factor) under the influence of an oscillating effective field of holes. This is called magnetic soft mode (behaviour). The experimental access for demonstrating this Mn-g-factor reduction with increasing hole concentration is the method of Multi-Spin-Flip (SF) Raman scattering combined with the variation of the carrier concentration by photo-excitation with an additional light source (two-colour experiment). The main motivation for this thesis was the experimental confirmation of the theoretically predicted magnetic soft mode and the analysis of its dependence on the hole-concentration and external B-field, as well as its disappearance with increasing sample temperature. For that purpose, CdMnTe/CdMgTe QWs (Mn: 0.6%, 1.0%) positioned close to the sample surface (13−19nm) were investigated in an in-plane applied external magnetic field (up to 4.5T in Voigt-geometry) via a two-colour experiment i.e. using two light sources. This allows the spin excitation of Mn-ions by simultaneously tuning the hole-concentration towards the ferromagnetic phase transition by photo-generated carriers. Thus, one tuneable laser is responsible for resonant below-barrier excitation as a probe for Multi-SF Raman scattering. The other laser excites photo-generated carriers from above barrier (2.41eV) for tuning the hole concentration in the QW. Positioning the QW close to the sample surface causes a surface-induced p-doping of the QW (intrinsic hole concentration in the QW) and enables the active tuning of the hole concentration by photo-generated carriers due to different tunnelling behaviour of electrons and holes from the QW to the surface. The Mn-g-factor was decreased by quasi-continuously increasing the above-barrier illumination (and thus the hole concentration), while the below-barrier excitation (Multi-PR probe) was kept at a constant low power. This results in a Mn-g-factor reduction starting from its atomic value g=2.01 to lowest evaluated Mn-g-factor in this thesis g=1.77. This is a magnetic softening of 12%. Apart from the general magnetic soft mode behaviour at low temperatures, one of the main experimental results in this thesis is the confirmation of the theoretical prediction that the magnetic soft mode behaviour in the external B-field does not only depend on the carrier concentration but also on the B-field strength itself. An additional aspect is the temperature dependence of the magnetic soft mode. The Mn-g-factor decrease is suppressed with increasing temperature almost reaching the atomic Mn-g-factor at 4.2K (g=1.99). This behaviour is due to the T-induced weakening of the transverse 2DHG spin susceptibility. The results of the investigations concerning the cap layer thickness impact on the QW carrier characteristics were investigated in the cap thickness range of 13nm to 19nm. The cap thickness configures on the one hand the intrinsic hole concentration of the QW ("2DHG offset") due to the surface-induced p-doping and sets the "starting point" for the Mn-g-factor reduction. On the other hand the cap thickness determines the probability of electron tunnelling to the surface and thus the efficiency of the hole tuning by light. The latter is the criterion for the range of Mn-g-factor reduction by light. This two dependences were pointed out by the photo-generated hole influence on the QW PL-spectra which results in tuning the exciton-trion ratio. In summary both mechanisms are of relevance for the hole tuning and thus for the magnetic soft-mode behaviour. The mechanism of tunnelling time prevails at small cap layer thicknesses while the surface-induced p-doping plays the major role for larger cap thicknesses (> 25nm). In conclusion, the presented method in this thesis is a sensitive tool to study the dynamics of the spin excitations and the paramagnetic susceptibility in the vicinity of the hole-induced ferromagnetic phase transition. / Im Zusammenhang mit den aktuellen Diskussionen über einen ladungsträgerinduzierten ferromagnetischen Phasenübergang in verdünnt-magnetischen II-VI-Halbleitern wurden von K.V. KAVOKIN theoretische Untersuchungen zu kohärenter Dynamik von lokalisierten Spins durchgeführt, welche mit dem zweidimensionalen Lochgas im DMS Quantentrog (QT) koppeln. Die Larmorfrequenz der lokalisierten Mn-Ionen Spins und der damit verbundene Mn-g-Faktor sind dabei der experimentelle Zugang, um die Wechselwirkung des lokalisierten Spinensembles mit dem zweidimensionalen Lochgas zu untersuchen. Das 2DHG ruft eine zeitliche Entwicklung des (Mn-) Spinsystems in einem in der Quantentrogebene angelegten äußeren Magnetfeld hervor. Dies hat die Verringerung der Larmorfrequenz und damit des Mn-g-Faktors, beeinflusst durch ein oszillierendes effektives Austauschfeld der Löcher zur Folge. Dies wird magnetisches Softmode-Verhalten genannt. Multi-Spin-Flip(SF)-Raman-Spektroskopie in Verbindung mit einer zusätzlichen Lichtquelle (genannt Zwei-Farben-Experiment) ist das probate Mittel, um diese Reduzierung des Mn-g-Faktors durch die photo-generierte Erhöhung der Lochkonzentration des 2DHG zu demonstrieren. Die experimentelle Bestätigung des theoretisch vorhergesagten magnetischen Softmode-Verhaltens, sowie dessen Abhängigkeit von der Lochkonzentration und dem externen B-Feld, also auch dessen Verschwinden mit steigender Probentemperatur zu analysieren, war die Motivation dieser Arbeit. Aus diesem Grund wurden nahe (13-19nm) an der Probenoberflache liegende CdMnTe/CdMgTe Quantentroge (Mn: 0,6%; 1,0%) in einem parallel zur Quantentrogebene angelegten externen Magnetfeld (mit bis zu 4,5T) mittels Zwei-Farben-Experiment (d.h. mittels zweier Laser-Lichtquellen) untersucht. Dieses ermöglicht die Anregung der Mn-Spins bei gleichzeitiger Erhöhung der Lochkonzentration in Richtung des ferromagnetischen Phasenübergangs durch photo-generierte Ladungsträger. Dabei dient ein durchstimmbarer Laser zur resonanten Anregung im Quantentrog als Lichtquelle für die Multi-SF-Raman-Streuung. Der andere Laser hingegen erzeugt photogenerierte Ladungsträger oberhalb der Quantentrogbarriere (2,41eV), um die Lochkonzentration im Quantentrog einzustellen. Die Reduzierung des Mn-g-Faktors erfolgte durch quasikontinuierliche Erhöhung der Beleuchtung oberhalb der Barriere und folglich auch der Lochkonzentration, während die resonante Anregungsleistung im Quantentrog (d.h. die Multi-Spin-Flip-Sonde) niedrig und konstant gehalten wurde. Hiermit wurde die Verringerung des Mn-g-Faktors nachgewiesen, ausgehend von dessen atomaren Wert g=2,01 hin zu dem, in dieser Arbeit kleinsten ermittelten Wert von g =1,77. Dies entspricht einem magnetischen "softening" von 12%. Neben dem allgemeinen magnetischen Softmode-Verhalten bei niedriger Temperatur, war eines der wichtigsten experimentellen Ergebnisse dieser Arbeit die Bestätigung der theoretisch vorhergesagten Abhängigkeit des magnetischen Softmode-Verhaltens von der Magnetfeldstärke selbst und nicht nur von der Lochkonzentration im externen Magnetfeld. Die Mn-g-Faktor-Reduzierung wirkt sich bei kleinen B-Feldern stärker aus. Ein weiterer experimenteller Aspekt ist die Temperaturabhängigkeit des magnetischen Softmode-Verhaltens. Mit steigender Temperatur wird die Mn-g-Faktor-Reduzierung unterdrückt und der g-Faktor erreicht bei 4,2K mit g=1,99 fast seinen atomaren Wert. Grund dafür ist die temperaturinduzierte Abschwächung der transversalen 2DHG-Spin-Suszeptibilität. Die Auswirkung der Cap-Schichtdicke auf das Verhalten der Ladungsträgercharakteristik im Quantentrog wurde für Cap-Dicken im Bereich von 13nm bis 19nm untersucht. Die Cap-Dicke legt einerseits, durch die oberflächeninduzierte p-Dotierung, die intrinsische Lochkonzentration des Quantentrogs fest ("2DHG offset") und damit den "Startpunkt" für die Mn-g-Faktor-Reduzierung. Andererseits bestimmt die Cap-Dicke die Tunnelwahrscheinlichkeit der Elektronen zur Oberfläche und damit wiederum die Effizienz der Lochkonzentrationsbeeinflussung durch das eingestrahlte Licht. Letzteres ist das Kriterium dafür, wie groß der Einflussbereich ist, in dem eine Mn-g-Faktor-Reduzierung durch Licht stattfinden kann. Durch den Einfluss der photo-generierten Löcher auf das Quantentrog-PL-Spektrum und der damit verbundenen Beeinflussung des Exziton-Trion-Verhältnisses, konnten die beiden oben genannten Abhängigkeiten herausgearbeitet werden. Zusammenfassend sind beide Mechanismen für die Loch-Abstimmung im QT und damit für das magnetische soft-mode Verhalten von Bedeutung. Während der Mechanismus der Tunnelwahrscheinlichkeit bei schmalen Cap-Dicken überwiegt, spielt die oberflächeninduzierte p-Dotierung des QTs bei größeren Cap-Stärken (>25nm) die Hauptrolle. Fazit: Die, in dieser Arbeit präsentierte Methode ist ein sensibles Werkzeug, um die Dynamik der Spin-Anregungen und der paramagnetischen Suszeptibilität im Hinblick auf den Loch-induzierten ferromagnetischen Übergang zu untersuchen.

In dieser Arbeit wurden nichtmagnetische und semimagnetische ZnSe-basierte Quantentröge untersucht. Im Mittelpunkt des Interesses standen hierbei vor allem die Modifikation der optischen Spektren mit einer zunehmenden Modulationsdotierung der Strukturen und der Einfluss von Spinflip-Streuungen der freien Band-Elektronen an den Mn-Ionen auf die Magnetisierung und somit die Zeeman-Aufspaltung der Strukturen. Als experimentelle Methoden wurden Photolumineszenz (PL), Photolumineszenzanregung (PLE) und Reflexionsmessungen verwendet, die in Magnetfeldern von bis zu B=48 T und bei Temperaturen im Bereich von 1.6 K bis 70 K durchgeführt wurden. Darüber hinaus wurde die Abhängigkeit der Spin-Gitter-Relaxationszeit der Mn-Ionen von der Mn-Konzentration und der Elektronengasdichte in den Quantentrögen durch zeitaufgelöste Lumineszenzmessungen untersucht. Der Einfluss eines Gradienten in der s/p-d-Austauschwechselwirkung auf die Diffusion der Ladungsträger bildet einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit. Als experimentelle Methode wurde hierbei ortsaufgelöste Lumineszenz verwendet. / In the present work, nonmagnetic and semimagnetic ZnSe based quantum wells were studied. The thesis was focussed on the modification of optical spectra with an increasing modulation-doping of the structures. Further emphasis was placed on the influence of the spinflip scattering of the free carriers and the Mn ions on the magnetization and thus the giant Zeeman splitting of the structures. As experimental methods, photoluminescence spectroscopy (PL), photoluminescence excitation spectroscopy (PLE) and reflection measurements were used and were performed in magnetic fields up to B=48 T and at temperatures within the range of 1.6 K to 70 K. In addition, the dependence of the spin-lattice relaxation time of the Mn ions on the Mn concentration and the electron density was examined by time-resolved luminescence spectroscopy. The influence of a gradient in the s/p-d-exchange interaction on the diffusion of carriers was studied by spatially resolved luminescence spectroscopy.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

University, Diss., 2002--Bremen.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Exziton-Polaritonen (Polaritonen), hybride Quasiteilchen, die durch die starke Kopplung von Quantenfilm-Exzitonen mit Kavitätsphotonen entstehen, stellen auf Grund ihrer vielseitigen und kontrollierbaren Eigenschaften einen vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung einer neuen Generation von nichtlinearen und integrierten elektrooptischen Bauteilen dar. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung kompakter elektrooptischer Bauelemente auf der Basis von Exziton-Polaritonen in Halbleitermikrokavitäten. Als erstes wird die Implementierung einer elektrisch angeregten, oberflächenemittierenden Polariton-Laserdiode vorgestellt, die ohne ein externes Magnetfeld arbeiten kann. Dafür wird der Schichtaufbau, der Q-Faktor, das Dotierprofil und die RabiAufspaltung der Polariton-Laserdiode optimiert. Der Q-Faktor des finalen Aufbaus beläuft sich auf Q ~ 16.000, während die Rabi-Aufspaltung im Bereich von ~ 11,0 meV liegt. Darauf aufbauend werden Signaturen der Polariton-Kondensation unter elektrischer Anregung, wie ein nichtlinearer Anstieg der Intensität, die Reduktion der Linienbreite und eine fortgesetzte Verschiebung der Emission zu höheren Energien oberhalb der ersten Schwelle, demonstriert. Ferner werden die Kohärenzeigenschaften des Polariton-Kondensats mittels Interferenzspektroskopie untersucht. Basierend auf den optimierten Halbleiter-Mikroresonatoren wird eine Kontaktplattform für die elektrische Anregung ein- und zweidimensionaler Gitterstrukturen entwickelt. Dazu wird die Bandstrukturbildung eines Quadrat- und Graphen-Gitters unter elektrischer Anregung im linearen Regime untersucht und mit den Ergebnissen der optischen Charakterisierung verglichen. Die erhaltenen Dispersionen lassen sich durch das zugehörige Tight-Binding-Modell beschreiben. Ferner wird auch eine elektrisch induzierte Nichtlinearität in der Emission demonstriert. Die untersuchte Laser-Mode liegt auf der Höhe des unteren Flachbandes und an der Position der Γ-Punkte in der zweiten Brillouin-Zone. Die zugehörige Modenstruktur weist die erwartete Kagome-Symmetrie auf. Abschließend wird die Bandstrukturbildung eines SSH-Gitters mit eingebautem Defekt unter elektrischer Anregung untersucht und einige Eigenschaften des topologisch geschützten Defektzustandes gezeigt. Dazu gehört vor allem die Ausbildung der lokalisierten Defektmode in der Mitte der S-Bandlücke. Die erhaltenen Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in der Realisierung eines elektrisch betriebenen topologischen Polariton-Lasers dar. Abschließend wird ein elektrooptisches Bauteil auf der Basis von Polaritonen in einem Mikrodrahtresonator vorgestellt, in dem sich die Propagation eines PolaritonKondensats mittels eines elektrostatischen Feldes kontrollieren lässt. Das Funktionsprinzip des Polariton-Schalters beruht auf der Kombination einer elektrostatischen Potentialsenke unterhalb des Kontaktes und der damit verbundenen erhöhten ExzitonIonisationsrate. Der Schaltvorgang wird sowohl qualitativ als auch quantitativ analysiert und die Erhaltenen Ergebnisse durch die Modellierung des Systems über die GrossPitaevskii-Gleichung beschrieben. Zusätzlich wird ein negativer differentieller Widerstand und ein bistabiles Verhalten in der Strom-Spannungs-Charakteristik in Abhängigkeit von der Ladungsträgerdichte im Kontaktbereich beobachtet. Dieses Verhalten wird auf gegenseitig konkurrierende Kondensats-Zustände innerhalb der Potentialsenke und deren Besetzung und damit direkt auf den räumlichen Freiheitsgrad der PolaritonZustände zurückgeführt. / Exciton-polaritons (polaritons), hybrid quasi-particles formed by the strong coupling between quantum well excitons and microcavity photons, are promising candidates for the realization of a new generation of nonlinear and integrated electrooptical devices. Compared to photonic or electrical approaches distinguishing advantages of Polaritons are their versatile and tuneable properties that allow electrical excitation and easy manipulation, which is both advantageous for on-chip applications. The present thesis deals with the development, implementation, and improvement of compact electrooptical devices based on exciton-polaritons in semiconductor microcavities. At first the implementation of an electrically driven vertically emitting polariton laser diode, which operates without the need of an applied magnetic field, is presented. For this purpose, the layer structure, quality factor, doping profile and Rabi-splitting of the polariton laser diode is optimized. The final design consists of a high-quality factor Al0.20Ga0.80As/AlAs microcavity (Q ~ 16,000) and features a Rabi-splitting of ~ 11.0 meV. Signatures for polariton condensation under electrical excitation are shown in the processed device. It features a clear nonlinearity in its input-output characteristic, a well-pronounced drop in the emission linewidth and a persisting blueshift above the first threshold with increasing pump-power. On top of that, evidence of the systems coherence properties in the condensed phase is provided directly by utilizing interference spectroscopy. Based on the optimized microcavity structures a process for the electrical excitation of one- and two-dimensional potential landscapes is developed. At first, the linear band structures of polaritonic square as well as honeycomb lattices are studied under electrical injection and compared to the results acquired by optical excitation. The obtained dispersions are reproduced by a tight-binding model. Moreover, the capability of the device to facilitate an electrically induced nonlinear emission is demonstrated. The investigated laser mode at the high symmetry Γ points in the second Brillouin zone, is located at the low energy flatband, as verified by the kagome geometry of the measured mode structure. Subsequent, the results of a one-dimensional SSH chain are presented under electrical excitation. In addition, the properties of a built-in lattice defect, forming a topological protected state in the middle of the S band gap, are investigated, paving the way towards the realization of electrically driven topological polariton lasers. Finally, an electrooptical polariton switch is demonstrated as a prototype of a polaritonic field-effect transistor. Here, an optical generated polariton condensate propagating along a one-dimensional channel is controlled by an electrical gate. The operation of the device relies on the combination of an electrostatic potential trap underneath the contact, and the associated exciton ionization. The switching behaviour is analysed in a qualitative as well as in a quantitative manner and verified by modelling the experimental findings with the Gross-Pitaevskii equation. Furthermore, a pronounced negative differential resistance and a strong bistability is observed in the photocurrent response as a function of the carrier density. This is attributed to competing transitions of trapped condensate modes and thus directly to the spatial degree of freedom of the polariton states, which represents a completely new way to create bistability.

Within the scope of this thesis, spin related transport phenomena have been investigated in HgTe/HgCdTe quantum well structures. This material exhibits peculiar band structure properties, which result in a strong spin-orbit interaction of the Rashba type. An inverted band structure, i.e., a reversed ordering of the energy states in comparison to common semiconductors, is obtained for quantum well layers above a critical thickness. Furthermore, the band structure properties can be controlled in the experiments by moderate gate voltages. Most prominently, the type of carriers in HgTe quantum wells can be changed from n to p due to the narrow energy gap. Along with the inverted band structure, this unique transition is the basis for the demonstration of the Quantum Spin Hall state, which is characterized by the existence of two one-dimensional spin-polarized edge states propagating in opposite directions, while the Fermi level in the bulk is in the energy gap. Since elastic scattering is suppressed by time reversal symmetry, a quantized conductance for charge and spin transport is predicted. Our experiments provide the first experimental demonstration of the QSH state. For samples with characteristic dimensions below the inelastic mean free path, charge conductance close to the expected value of 2e^2/h has been observed. Strong indication for the edge state transport was found in the experiments as well. For large samples, potential fluctuations lead to the appearance of local n-conducting regions which are considered to be the dominant source of backscattering. When time reversal symmetry is broken in a magnetic field, elastic scattering becomes possible and conductance is significantly suppressed. The suppression relies on a dominant orbital effect in a perpendicular field and a smaller Zeeman-like effect present for any field direction. For large perpendicular fields, a re-entrant quantum Hall state appears. This unique property is directly related to the non-trivial QSH insulator state. While clear evidence for the properties of charge transport was provided, the spin properties could not be addressed. This might be the goal of future experiments. In another set of experiments, the intrinsic spin Hall effect was studied. Its investigation was motivated by the possibility to create and to detect pure spin currents and spin accumulation. A non-local charging attributed to the SHE has been observed in a p-type H-shaped structure with large SO interaction, providing the first purely electrical demonstration of the SHE in a semiconductor system. A possibly more direct way to study the spin Hall effects opens up when the spin properties of the QSH edge states are taken into account. Then, the QSH edge states can be used either as an injector or a detector of spin polarization, depending on the actual configuration of the device. The experimental results indicate the existence of both intrinsic SHE and the inverse SHE independently of each other. If a spin-polarized current is injected from the QSH states into a region with Rashba SO interaction, the precession of the spin can been observed via the SHE. Both the spin injection and precession might be used for the realization of a spin-FET similar to the one proposed by Datta and Das. Another approach for the realization of a spin-based FET relies on a spin-interference device, in which the transmission is controlled via the Aharonov-Casher phase and the Berry phase, both due to the SO interaction. In the presented experiments, ring structures with tuneable SO coupling were studied. A complex interference pattern is observed as a function of external magnetic field and gate voltage. The dependence on the Rashba splitting is attributed to the Aharonov-Casher phase, whereas effects due to the Berry phase remain unresolved. This interpretation is confirmed by theoretical calculations, where multi-channel transport through the device has been assumed in agreement with the experimental results. Thus, our experiments provide the first direct observation of the AC effect in semiconductor structures. In conclusion, HgTe quantum well structures have proven to be an excellent template for studying spin-related transport phenomena: The QSHE relies on the peculiar band structure of the material and the existence of both the SHE and the AC effect is a consequence of the substantial spin-orbit interaction. While convincing results have been obtained for the various effects, several questions can not be fully answered yet. Some of them may be addressed by more extensive studies on devices already available. Other issues, however, ask, e.g., for further advances in sample fabrication or new approaches by different measurements techniques. Thus, future experiments may provide new, compelling insights for both the effects discussed in this thesis and, more generally, other spin-orbit related transport properties. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden spin-bezogene Transportphänomene in HgTe/HgCdTe-Quantentrogstrukturen untersucht. Dieses Materialsystem weist besondere Bandstruktureigenschaften auf, die u.a. zu einer starken Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung führen. Eine invertierte Bandstruktur, d.h. eine umgekehrte Anordnung der energetischen Zustände im Vergleich zu üblichen Halbleitern, ergibt sich für Quantentrogschichten oberhalb einer kritischen Dicke. Darüber hinaus können die Bandstruktur-Eigenschaften im Experiment mittels moderater Gatespannungen kontrolliert werden. Hervorzuheben ist, dass die Art der Ladungsträger im HgTe-Quantentrog aufgrund der geringen Bandlücke von n- nach p-Typ geändert werden kann. Dieser einzigartige Übergang bildet zusammen mit der invertierten Bandstruktur die Grundlage für den Nachweis der Quanten-Spin-Hall-Zustands, bei dem sich zwei eindimensionale spinpolarisierte Randkanäle in entgegen gesetzte Richtung ausbreiten, während die Fermi-Energie im Probeninneren in der Bandlücke liegt. Da elastische Streuprozesse aufgrund der Zeitumkehr-Invarianz verboten sind, ist der Leitwert für Ladungs- und Spintransport quantisiert. Unsere Messungen liefern den ersten experimentellen Nachweis des QSH-Zustands. Für Proben mit charakteristischen Abmessungen unterhalb der inelastischen freien Weglänge wurde ein Leitwert nahe des theoretisch erwarteten Wertes von 2e^2/h beobachtet. Die Experimente lieferten außerdem deutliche Anzeichen für den Randkanaltransport. In größeren Proben verursachen Potenzialfluktuationen lokale n-leitende Bereiche, die als Hauptursache für Rückstreuung angesehen werden können. Wird die Zeitumkehr-Invarianz im Magnetfeld gebrochen, können elastische Streuprozesse auftreten und der Leitwert sinkt deutlich. Die Ursache dafür sind ein dominanter orbitaler Effekt für senkrechte Felder sowie ein schwächerer Zeeman-ähnlicher Effekt für beliebige Feldrichtungen. Bei starken senkrechten Feldern kommt es zu einem Wieder-Eintritt in den Quanten-Hall-Zustands, was direkt mit dem nicht-trivialen isolierenden Zustand des QSH-Effekts verknüpft ist. Während die Messungen einige Eigenschaften des Ladungstransports deutlich belegen, können die Spineigenschaften nicht untersucht werden. Dies kann jedoch ein Ziel zukünftiger Messungen sein. Außerdem wurde der intrinsische Spin-Hall-Effekt untersucht, um die Erzeugung von Spinungleichgewichten und reinen Spinströmen nachzuweisen. Eine nicht-lokale Spannung, die auf den SHE zurückzuführen ist, wurde in einer p-leitenden H-förmigen Struktur beobachtet und liefert somit den ersten rein elektrischen Nachweis des SHE in einem Halbleiter-System. Ein direkterer Weg zur Untersuchung von Spin-Hall-Effekten ergibt sich, wenn die Spinpolarisation der QSH-Randkanäle berücksichtigt wird. Dabei können die QSH-Kanäle - abhängig von der Probenkonfiguration - eine Spinpolarisation wahlweise injizieren oder detektieren. Die experimentellen Ergebnisse weisen unabhängig voneinander den intrinsischen SHE und den inversen SHE nach. Wenn durch die QSH-Kanäle ein spin-polarisierter Strom in ein Gebiet mit Rashba-Spin-Bahn-Wechselwirkung injiziert wird, kann die resultierende Spinpräzession mittels des SHE beobachtet werden. Sowohl die Spininjektion als auch die Präzession können zur Umsetzung eines Spin-FETs verwendet werden, wie er von Datta und Das vorgeschlagen wurde. Eine andere Herangehensweise zur Realisierung eines spin-basierten FETs beruht auf einem Spin-Interferenz-Bauteil, in dem die Transmission über Spin-Bahn-abhängige Phasen - die Aharonov-Casher-Phase und die Berry-Phase - gesteuert wird. Bei der Untersuchung von Ringstrukturen mit variabler Spin-Bahn-Wechselwirkung zeigt sich bei einer Variation des Magnetfeld und der Gate-Spannung ein komplexes Interferenzmuster. Die Abhängigkeit von der Rashba-Aufspaltung wird der Aharonov-Casher-Phase zugeschrieben, wohingegen Effekte aufgrund der Berry-Phase nicht nachgewiesen werden können. Diese Interpretation wird durch theoretische Berechnungen bestätigt, in denen Mehr-Kanal-Transport durch den Ring angenommen wurde. Somit liefern unsere Experimente den ersten direkten Nachweis des AC-Effektes in Halbleiterstrukturen. Insgesamt stellen die HgTe-Quantentröge ein als exzellentes System zur Untersuchung von spin-bezogenen Transportphänomenen dar: Der QSHE beruht auf der besonderen Bandstruktur; und sowohl der SHE als auch der AC-Effekt treten aufgrund der deutlichen Spin-Bahn-Wechselwirkung auf. Für alle Effekte wurden überzeugende Ergebnisse erzielt; allerdings konnten einige Fragen noch nicht vollständig beantwortet werden. Einige können möglicherweise mittels umfangreicherer Untersuchungen geklärt werden. Andere jedoch verlangen z.B. nach Fortschritten in der Probenherstellung oder anderen Untersuchungsmethoden. Daher können zukünftige Experimente weitere neue faszinierende Einblicke sowohl in die hier diskutierten Effekte als auch in andere Spin-Bahn-bezogene Transportphänomene bieten.

Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

The Thesis is focused on the properties of self-organized nanostructures. Atomic and electronic properties of different systems have been investigated using methods of electron diffraction, scanning tunneling microscopy and photoelectron spectroscopy. Implementation of the STM technique (including design, construction, and tuning of the UHV experimental set-up) has been done in the framework of present work. This time-consuming work is reported to greater detail in the experimental part of this Thesis. <br><br> The scientific part starts from the study of quantum-size effects in the electronic structure of a two-dimensional Ag film on the supporting substrate Ni(111). Distinct quantum well states in the sp-band of Ag were observed in photoelectron spectra. Analysis of thickness- and angle-dependent photoemission supplies novel information on the properties of the interface. For the first time the Ni(111) relative band gap was indirectly probed in the ground-state through the electronic structure of quantum well states in the adlayer. This is particularly important for Ni where valence electrons are strongly correlated. Comparison of the experiment with calculations performed in the formalism of the extended phase accumulation model gives the substrate gap which is fully consistent with the one obtained by ab-initio LDA calculations. It is, however, in controversy to the band structure of Ni measured directly by photoemission. These results lend credit to the simplest view of photoemission from Ni, assigning early observed contradictions between theory and experiments to electron correlation effects in the final state of photoemission. <br><br> Further, nanosystems of lower dimensionality have been studied. Stepped surfaces W(331) and W(551) were used as one-dimensional model systems and as templates for self-organization of Au nanoclusters. Photon energy dependent photoemission revealed a surface resonance which was never observed before on W(110) which is the base plane of the terrace microsurfaces. The dispersion E(k) of this state measured on stepped W(331) and W(551) with angle-resolved photoelectron spectroscopy is modified by a strong umklapp effect. It appears as two parabolas shifted symmetrically relative to the microsurface normal by half of the Brillouin zone of the step superlattice. The reported results are very important for understanding of the electronic properties of low-dimensional nanostructures. <br><br> It was also established that W(331) and W(551) can serve as templates for self-organization of metallic nanostructures. A combined study of electronic and atomic properties of sub-monolayer amounts of gold deposited on these templates have shown that if the substrate is slightly pre-oxidized and the temperature is elevated, then Au can alloy with the first monolayer of W. As a result, a nanostructure of uniform clusters of a surface alloy is produced all over the steps. Such clusters feature a novel sp-band in the vicinity of the Fermi level, which appears split into constant energy levels due to effects of lateral quantization. <br><br> The last and main part of this work is devoted to large-scale reconstructions on surfaces and nanostructures self-assembled on top. The two-dimensional surface carbide W(110)/C-R(15x3) has been extensively investigated. Photoemission studies of quantum size effects in the electronic structure of this reconstruction, combined with an investigation of its surface geometry, lead to an advanced structural model of the carbide overlayer. <br><br> It was discovered that W(110)/C-R(15x3) can control self-organization of adlayers into nanostructures with extremely different electronic and structural properties. Thus, it was established that at elevated temperature the R(15x3) superstructure controls the self-assembly of sub-monolayer amounts of Au into nm-wide nanostripes. Based on the results of core level photoemission, the R(15x3)-induced surface alloying which takes place between Au and W can be claimed as driving force of self-organization. The observed stripes exhibit a characteristic one-dimensional electronic structure with laterally quantized d-bands. Obviously, these are very important for applications, since dimensions of electronic devices have already stepped into the nm-range, where quantum-size phenomena must undoubtedly be considered. <br><br> Moreover, formation of perfectly uniform molecular clusters of C₆₀ was demonstrated and described in terms of the van der Waals formalism. It is the first experimental observation of two-dimensional fullerene nanoclusters with "magic numbers". Calculations of the cluster potentials using the static approach have revealed characteristic minima in the interaction energy. They are achieved for 4 and 7 molecules per cluster. The obtained "magic numbers" and the corresponding cluster structures are fully consistent with the results of the STM measurements. / Die aktuelle Doktorarbeit ist auf die Eigenschaften von selbst-organisierten Nanostrukturen fokussiert. Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von verschiedenen Systemen wurden mit den Methoden Elektronenbeugung, Rastertunnelmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie untersucht. Insbesondere wurde die fuer die Rastertunnelmikroskopie in situ praeparierter Proben eingesetzte Apparatur im Rahmen dieser Arbeit konstruiert und aufgebaut. Einzelheiten hierzu sind im experimentellen Kapitel zu finden. <br><br> Der wissenschftliche Teil beginnt mit Untersuchungen von Quantentrogeffekten in der elektronischen Struktur einer Ag-Schicht auf Ni(111)-Substrat. Charakteristische Quantentrogzustaende im Ag-sp-Band wurden in Photoelektronenspektren beobachtet. Die Analyse von schichtdicken- und winkelabhaengiger Photoemission hat neue und wesentliche Informationen ueber die Eigenschaften des Ag/Ni-Systems geliefert. Insbesondere konnte zum ersten Mal eine relative Bandluecke im Ni-Substrat durch das Verhalten der Quantentrogzustaende indirekt vermessen werden. Das ist fuer Ni besonders wichtig, weil es sich bei Ni um ein stark korreliertes Elektronensystem handelt. Die Ergebnisse wurden mit Rechnungen auf der Basis des erweiterten Phasenmodelles verglichen. Der Vergleich ergibt eine Bandluecke, die sehr gut mit ab-initio-Rechnungen auf Basis der lokalen Elektronendichte-Naehrung uebereinstimmen. Dennoch widersprechen die Daten der Ni-Bandstruktur, die direkt mit Photoemission gemessen wird. Diese Kontroverse zeigt deutlich, dass der Unterschied zwischen Theorie und Experiment Korrelationeffekten im Endzustand der Photoemission zugeordnet werden kann. <br><br> Des weiteren wurden Nanosysteme von noch niedrigerer Dimensionalitaet untersucht. Gestufte Oberflaechen W(331) und W(551) wurden als eindimensionale Modellsysteme fuer die Selbstorganisation von Au-Nanoclustern benutzt. Photonenenergieabhaengige Photoemission hat eine neue Oberflaechen-resonanz aufgedeckt, die auf der Basisebene der Terrassen dieser Systeme auftritt. Die Dispersion E(k) von diesem Zustand, die mit winkelaufgeloester Photoemission vermessen wurde, zeigt deutlich die Einwirkung von Umklapp-Effekten. Diese zeigen sich als zwei Parabeln, die relativ zu der Terrassennormale symmetrisch um die Haelfte der Oberflaechen-Brillouinzone verschoben sind. Die erzielten Ergebnisse sind sehr wichtig fuer das Verstaendnis der elektronischen Eigenschaften von eindimensionalen Nanostrukturen. <br><br> Ausserdem wurde gezeigt, dass W(331) und W(551) als Vorlage fuer selbstorganisierte metallische Nanostrukturen dienen koennen. Eine kombinierte Untersuchung von strukturellen und elektronischen Eigenschaften von unter-monolagen Mengen von Au auf diesen Substraten wurde durchgefuehrt. Es hat sich gezeigt, dass Au mit dem Substrat an der Oberflaeche legieren kann, wenn die Oberflaeche ein wenig oxidiert und die Temperatur erhoert ist. Als Folge formiert sich auf den Stufen eine Nanostruktur von gleichen (aber nicht regelmaessig verteilten) Nanoclustern aus dieser Au-W Legierung. Diese Oberflaechenlegierung bildet ein neuartiges sp-Band in der Naehe der Fermi-Kante. Zudem spaltet dieser neue elektronische Zustand in konstante Energieniveaus auf. Das beobachtete Phaenomen wird als laterale Quantisierung interpretiert. <br><br> Das letzte Kapitel dieser Doktorarbeit bildet auch den Hauptteil. Es handelt von Selbstorganisierungsphaenomenen auf einer Oberflaechenrekonstruktion und den Eigenschaften von so hergestellten Nanostrukturen. Das zweidimensionale Oberflaechen-Karbid W(110)/C-R(15x3) wurde intensiv untersucht. Beobachtete Quantentrogeffekte in der Photoemission in Kombination mit den Ergebnissen der Rastertunnelmikroskopuntersuchungen fuehren zu einem verbesserten Strukturmodell fuer das Oberflaechenkarbid. <br><br> Es wurde auch gezeigt, dass W(110)/C-R(15x3) die Selbstorganisierung von Nanostrukturen mit sehr verschiedenen elektronischen und strukturellen Eigenschaften steuern kann. Es wurde gefunden, dass bei erhoehter Temperatur die R(15x3)-Ueberstruktur die Bildung von Nanostreifen aus unter-monolagiger Au Bedeckung, von denen jede 1 nm breit ist, kontrolliert. Die hergestellten Nanostreifen besitzen eine charakteristische eindimensionale elektronische Struktur mit lateral quantisierten d-Baendern. Basierend auf der Photoemission von Rumpfniveaus wird eine Kohlenstoff-induzierte Oberflaechenlegierung zwischen Au und W als Grund fuer die beobachtete Organisierung vorgeschlagen. Solche Phaenomene sind sehr wichtig fuer Anwendungen, seit die Mikroelektronik in den nm-Massstab eingetreten ist, in welchem mit Quantentrogeffekten zu rechnen ist. <br><br> Zusaetzlich wurde die Bildung von perfekt uniformen molekularen Nanoclustern von C₆₀ auf W(110)/C-R(15x3) demonstriert. Dieses Phaenomen kann im van-der-Waals Formalismus beschrieben werden. Die berichteten Ergebnisse sind eine erstmalige experimentelle Beobachtung von zweidimensionalen Fulleren-Nanoclustern mit "magischen Zahlen". Berechnungen der Clusterpotentiale in der statischen Naeherung im Girifalco-Modell zeigen Minima der Wechselwirkungsenergie fuer Cluster aus 4 und 7 C₆₀-Molekuelen. Diese "magischen Zahlen" sowie die entsprechenden Clusterkonfigurationen sind vollkommen konsistent mit den Ergebnissen des STM-Experiments.