Zeitaufgelöste Transportspektroskopie an gekoppelten 2D-0D-Systemen
Beckel, Andreas - Universität Duisburg-Essen (2014)
Diese Arbeit untersucht die elektronische Niveaustruktur selbstorganisierter InAs-Quantenpunkte über die Tunnelkopplung an ein zweidimensionales Elektronenreservoir. Im Fokus stehen dabei neben den Vielteilchen-Grundzuständen der bis zu sechsfach besetzbaren Quantenpunkte auch die angeregten Zustände mit ein- und zweifacher Besetzungszahl, also die des Quantenpunkt-Wasserstoffs bzw. Heliums. Die Dynamik des Tunnelvorgangs aus den Quantenpunkten heraus kann hier zum ersten mal gezielt genutzt werden, um das Anregungsspektrum der Wasserstoff- und Helium-Konfigurationen für die ersten drei Schalen (s,p und d) herauszufiltern. Die beobachteten Schalenabstände lassen sich dabei in guter Näherung mit einem einfachen Modell für die Additionsenergien der Einteilchen-Zustände, aus den Vielteilchen-Grundzuständen ableiten.
Ein Vergleich von Lade- und Entladedynamik der Grundzustände ermöglicht dar- über hinaus eine Aufschlüsselung der Entartung beim Auffüllen der ersten sechs Elektronen. Ohne Zuhilfenahme eines Magnetfeldes kann hier gezeigt werden, dass das einschlieÿende Potential der Quantenpunkte eine Asymmetrie aufweist, die zu einer Aufhebung der Entartung in der p-Schale der Quantenpunkte führt. Durch eine Messung des Tunnelstroms bei einem angelegten Magnetfeld kann diese Anisotropie durch eine Deformation derWellenfunktion in den Quantenpunkten bestätigt werden. Hierbei zeigt sich auch, dass die Quantisierung des Elektronenreservoirs, mit Bewegungsfreiheitsgraden senkrecht zur Tunnelrichtung, beim Übergang nicht vernachlässigt werden kann. Quer zur Tunnelrichtung kann der Fermi-Impuls der Elektronen im Reservoir dabei nur schlecht von den, im Impulsraum lokalisierten, Grundzuständen der Quantenpunkte aufgenommen werden.
Im Experiment dient das Elektronengas nicht nur als Elektronenreservoir, sondern auch als Detektor der Ladung in den Quantenpunkten, die sich zeitaufgelöst als Verringerung der Leitfähigkeit beobachten lässt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Ladung der Quantenpunkte ausschlieÿlich durch Abschirmung auf die spannungsgesteuerte Ladungsträgerdichte im Elektronengas wirkt und ein Einfluss auf die Beweglichkeit durch Streuung an geladenen Quantenpunkten vernachlässigt werden kann. Des weiteren wird gezeigt, dass sich das Elektronengas als schneller, wie auch als empfindlicher Detektor gegenüber etablierten Methoden eignet. So kann das Auslesen der Ladungsinformation in den Quantenpunkten mit einer Zeitauflösung von 3 ns demonstriert und getrennt auflösbare Subensembles innerhalb einer Probe mit 100 Quantenpunkten detektiert werden.