Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden planare und drahtförmige Heterostrukturen (HS) mit ZnO- und ZnCdO-Quantengräben bezüglich ihrer Lumineszenz untersucht. Die Proben wurden mit der gepulsten Laserabscheidung (PLD) hergestellt. Bei ZnO-basierten drahtförmigen HS mit Durchmessern im Mikro- und Nanometer-Bereich handelt es sich um vielversprechende Kandidaten für miniaturisierte optoelektronische Bauelemente.
Da es für viele Anwendungen notwendig ist, dass die Emission des Quantengrabens (QW) in einem breiten Spektralbereich eingestellt werden kann, muss die ZnO-Bandlücke möglichst stark verändert werden können. Durch ZnCdO und MgZnO ist dies möglich. Durch eine Optimierung der Abscheideparameter wurde der für PLD erreichte maximale Cd-Gehalt signifikant auf 0,25 erhöht. Große Mg-Gehalte konnten schon vor der Forschung zur vorliegenden Arbeit mit der PLD realisiert werden.
Die planaren HS mit ZnO-Quantengräben wurden vorrangig bezüglich Ihrer Lumines-zenzeigenschaften untersucht. Aufgrund der Orientierung der QW sollten diese zusätzlich zum Quantum-Confinement Effekt den Quantum-Confined Stark Effect (QCSE) zeigen. Der QCSE wurde durch zeitabhängige und anregungsabhängige Lumineszenzmessungen nachgewiesen. In den Mikrodraht (µW)- bzw. Nanodraht (NW)-HS mit ZnO-QW wurde die Emission zwischen 3,4 eV und 3,6 eV bzw. 3,4 eV und 3,7 eV eingestellt.
Um HS mit ZnCdO-QW herstellen zu können, war es notwendig, die strukturellen und optischen Eigenschaften sowie die elektronische Struktur von ZnCdO-Dünnfilmen zu untersuchen. Durch einen hohen Cd-Gehalt von 0,25 war es möglich, die Bandlücken-energie um 0,8 eV zu verringern. In planaren HS wurde ZnO bzw. MgZnO als Barriere verwendet und die QW-Emission zwischen 2,5 eV und 3,1 eV bzw. 2,5 eV und 3,65 eV eingestellt. Es wurde untersucht, ob für HS mit ZnCdO-QW ein QCSE auftritt. Die experimentellen Energien wurden dazu mit berechneten Werten verglichen, die mithilfe einer Effektiv-Masse-Näherung und dem Modell eines endlich tiefen Potentialtopfes bestimmt wurden. In entsprechenden µW- bzw. NW-HS wurde die QW-Emission infolge des Quantum-Confinement Effektes zwischen 2,7 eV und 3,1 eV bzw. 2,5 eV und 3,4 eV variiert.
Da es für die Anwendung von µW- und NW-HS wichtig ist, dass diese eine homogene QW-Emission zeigen, wurde deren spektrale Position entlang der Struktur und für die verschiedenen Facetten der hexagonalen Drähte untersucht. Die Homogenität der Emission
ist für die µW-HS kleiner als für die NW-HS.:I Einleitung 1
II Grundlagen 5
1 Kristall- und Bandstruktur der verwendeten Materialien 7
1.1 Kristallstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Bandstruktur und effektive Massen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 ZnO-basierte Mikro- und Nanostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 Lumineszenz 17
2.1 Band-Band-Übergänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Exzitonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Exziton-Polaritonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Lumineszenz von ZnO-Dünnfilmen und -Einkristallen . . . . . . . . . . . 21
2.5 Lumineszenz von ZnO-Mikro- und ZnO-Nanostrukturen . . . . . . . . . 25
2.6 Lumineszenz von ternären Halbleitern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Quantengrabenstrukturen 29
3.1 Energieniveaus im Quantengraben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Exzitonenbindungsenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Quantum-Confined Stark Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4 Hexagonale Resonatoren 43
4.1 Fabry-Pérot- und WGM-Resonatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Brechungsindex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
III Experimentelle Methoden 51
5 Proben 53
5.1 Herstellungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Untersuchungsmethoden 61
6.1 Strukturelle Charakterisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.2 Optische Charakterisierung und Charakterisierung der elektronischen Struktur . . . . . . . 65
IV Ergebnisse und Diskussion 69
7 Heterostrukturen mit ZnO-Quantengräben 71
7.1 Planare Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
7.2 Mikrodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7.3 Nanodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
8 ZnCdO/ZnO-Doppelheterostrukturen 103
8.1 Lumineszenzeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.2 Tempern und thermische Stabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9 Heterostrukturen mit ZnCdO-Quantengräben 123
9.1 ZnCdO-Dünnfilme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.2 Planare ZnCdO/ZnO-Multiquantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . 133
9.3 Planare ZnCdO/MgZnO-Quantengrabenstrukturen . . . . . . . . . . . . 151
9.4 Mikrodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
9.5 Nanodraht-Heterostrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Zusammenfassung und Ausblick 179
V Anhang 185
Ausheizen eines Niedrigtemperatur-ZnO-Dünnfilmes 187
Abkürzungsverzeichnis 191
Eigene Veröffentlichungen 193
Eigene Tagungsbeiträge 195
Literaturverzeichnis 197
Danksagung 210
Selbstständigkeitserklärung 211
Lebenslauf 213
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:11831 |
| Date | 22 November 2012 |
| Creators | Lange, Martin |
| Contributors | Grundmann, Marius, Waag, Andreas, Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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