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Forschungsschwerpunkt:  

SFB 410 II-VI Halbleiter Wachstumsmechanismen, niederdim. Strukturen ...
Am Hubland, 97074 Würzburg
Mail: sfb-410@physik.uni-wuerzburg.de
Url: http://wpfx01.physik.uni-wuerzburg.de/sfb

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Forschungsschwerpunkte (und Projekte auf Basis der Grundausstattung):
Projektbereich A: "Schichtenwachstum und Wachstumsmechanismen"


Der Projektbereich A stellt die umfangreiche Materialbasis zur Verfügung, die für den gesamten SFB eine zentrale Bedeutung hat. Im Rahmen von drei experimentellen Teilprojekten werden mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie II-VI-Schichten und Heterostrukturen hergestellt und mit-tels verschiedener Methoden charakterisiert. Das vierte Teilprojekt dient der Modellierung des MBE-Wachstums mit theoretischen Methoden.

Das Teilprojekt A1 beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von Schichten und Schichtsystemen auf der Basis von ZnSe sowie mit dem Wachstum von Nanostrukturen mit-tels mikroskopischer Schattenmasken. Dabei werden sowohl optisch aktive Strukturen, z.B. ü-berlappende Quantentröge, Quantentröge mit lateralem confinement > kT als auch Transport-strukturen hergestellt und in Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten im Detail charakteri-siert. Ein weiterer, sehr wichtiger Aspekt von TP A1 ist die Versorgung des gesamten SFB mit maßgeschneiderten, auf ZnSe basierenden Schichten und Schichtstrukturen hoher Qualität, z. B. für Mikroresonatoren.

Das Teilprojekt A2 konzentriert sich auf die Herstellung und Charakterisierung Hg- und Mn-haltiger Heterostrukturen. Neben Untersuchungen zu den Wachstumsmechanismen von HgTe- und HgSe-haltigen Schichten, deren Wachstum vergleichsweise nahe am thermodynamischen Gleichgewicht abläuft, werden optimierte HgTe/HgCd(Te)-Quantentröge und Supergitter mit maßgeschneiderter Bandstruktur hergestellt. Weiterhin werden n- und p-modulationsdotierte Su-pergitter erzeugt und hinsichtlich ihrer Qualität und ihrer Eigenschaften (Dotierung, Defektdich-te, Beweglichkeiten) optimiert. Zentrale Aktivitäten betreffen die Herstellung Mn-haltiger Hete-rostrukturen und metallischer Gates, die für die magneto-optischen und Magnetotransport-Experimente von größter Bedeutung sind.

Im Teilprojekt A4, das wie in der ersten Förderperiode wieder eigenständig weitergeführt wer-den soll, geht es um die theoretische Untersuchung der Wachstumsmechanismen mit Hilfe von einfachen Solid-On-Solid-Modellen. Durch Monte-Carlo-Simulationen soll untersucht werden, inwieweit sich die bisherigen vielversprechenden Ergebnisse auf kompliziertere Gittertypen spä-ter sogar auf mehrkomponentige Systeme übertragen lassen. Dabei geht es um grundlegende mikroskopische Prozesse und ihren Einfluss auf die Morphologie und Dynamik der wachsenden Oberfläche. Anisotropien, Diffusionsverhalten und Barrieren spielen dabei eine wichtige Rolle und sollen durch quantitativen Vergleich mit Experimenten bezüglich der Relevanz ihrer Beiträ-ge untersucht werden.

Das neue Teilprojekt A5 widmet sich vor allem der kontrollierten Injektion spin-polarisierter Elektronen in Halbleiter, wobei die besonderen Eigenschaften semimagnetischer II-VI-Materialien ausgenutzt werden. Dazu werden magnetische Einzel- und Doppelbarrierenstrukturen auf ZnSe- und BeTe-Basis hergestellt und untersucht. Weiterhin werden magnetische Quantenpunkte in Einzelbarrieren erzeugt und hinsichtlich ihres Transportverhaltens charakterisiert. Schließlich wird das Wachstum magnetischer II-VI-Halbleiter auf Gruppe IV- Halbleitern angegangen, insbesondere um die Injektion von spin-polarisierten Ladungsträgern in Materialien mit sehr langen Spinlebensdauern zu realisieren. Das TP A5 kann bei seinen Arbeiten auf die im TP A3 erarbeitete Erfahrung zurückgreifen. Wie die Teilprojekte A1 und A2 ist auch das Teilprojekt A5 für die Versorgung des SFBs mit qualitativ hochwertigen Proben zuständig.


Projektbereich B: "Oberflächen, Grenzflächen und Defekte"


Der Projektbereich B umfaßt die experimentellen und theoretischen Untersuchungen zu den strukturellen, elektronischen und gitterdynamischen Eigenschaften von II-VI-Ober- und Grenz-flächen. Die geplanten experimentellen Arbeiten werden überwiegend an Proben durchgeführt, die im Projektbereich A hergestellt werden, oder an entsprechend präparierten Einkristallen. Da die Eigenschaften der Oberflächen eine ganz wesentliche Bedeutung für viele SFB-Fragestellungen haben, kommt dem Projektbereich eine wichtige Rolle zu. Die theoretische Unterstützung ist für ein weitergehendes Verständnis der Materialien und für eine detaillierte Interpretation der komplexen spektroskopischen Resultate für mehrere Teilprojekte von herausragender Bedeutung.

Das Teilprojekt B1 beschäftigt sich detailliert mit der geometrischen Struktur der II-VI-Oberflächen. Vor allem mit Hilfe der hochauflösenden Beugung langsamer Elektronen einschließlich der kinematischen Analyse der Beugungsprofile sollen material- und präparationsabhängig Rekonstruktionen, Terrassengrößen, Stufeneigenschaften, Defektdichten und strukturelle Parameter ermittelt werden. Die Arbeiten sind eng mit sämtlichen Teilprojekten des Projektbereichs A und den meisten Teilprojekten des Projektbereichs B korreliert.

Komplementär dazu ist das Teilprojekt B2, in dem vor allem die geometrische Struktur und Verspannungsrelaxation in Schichten und nahe inneren Grenzflächen mit Hilfe hochauflösender Röntgenbeugung untersucht werden. Das Teilprojekt befasst sich zum einen mit der eingehenden Charakterisierung ausgewählter Proben, die im Projektbereich A hergestellt wurden. Zum anderen wird die Methode der tiefenauflösenden Röntgenbeugung unter Verwendung extrem asymmetrischer Bragg-Reflexe weiterentwickelt, indem die Paralleldetektion mit ortsauflösendem Detektor und divergentem Röntgenstrahl eingeführt wird. Dadurch muss die Probe während der Messung nicht mehr bewegt werden, so dass eine in-situ-Charakterisierung während des Wachs-tumsprozesses vorgenommen werden kann.

Im Teilprojekt B3 werden die Untersuchungen zur elektronischen Struktur und zu den chemischen Eigenschaften von II-VI-Oberflächen und Grenzflächen fortgesetzt. Zum Beispiel werden die Valenzbandoffsets und Bandlücken verschiedener, SFB-relevanter Systeme mittels Elektronenspektroskopie mit möglichst großer Genauigkeit bestimmt, wobei auch grundsätzliche methodeninhärente Probleme aufgeklärt werden sollen. Weitere Schwerpunkte sind die zweifelsfreie Bestimmung der Terminierung, Untersuchungen zur Modifikation von Heterostruktur-Grenzflächen, zur Beeinflussung der Bandanpassung und von Mn-haltigen Hetero- und Nanostrukturen. Schließlich sollen Volumenbandstrukturen und verborgene Grenzschichten mittels (resonant angeregter) Röntgenemission charakterisiert werden.

Das Teilprojekt B4 ist für die theoretische Modellierung elektronischer und optischer Eigenschaften von herausragender Bedeutung. Zum einen sollen verbesserte Funktionale für das Austausch- und Korrelationspotential speziell hinsichtlich der Beschreibung von II-VI-Halbleitern entwickelt und implementiert sowie zeitabhängige Dichtefunktional-Methoden zur Berechnung optischer Daten eingesetzt werden. Zum anderen soll weiterhin die Interpretation der experimentellen Daten durch begleitende theoretische Rechnungen unter Berücksichtigung relevanter Effekte (Rekonstruktion, Mehrfachstreuung, Untergrund, Elektron-Loch-Korrelationseffekte, usw.) unterstützt werden.

Im Teilprojekt B7 wird mit Hilfe der Raman-Streuung die Gitterdynamik dünner II-VI-Schichten und Heteroschichten, an Oberflächen und sogar an Monolagen sowie an Quantenpunkten studiert. Viele dieser Experimente sind nur unter UHV-Bedingungen durchführbar und benötigen eine eingehende Charakterisierung der Oberfläche. Des Weiteren konzentriert sich das Projekt auf die elektronische Bandstruktur, die mit Hilfe der Elektro- und Photomodulationsspektroskopie in einem großen Energiebereich charakterisiert wird. Schließlich werden magnetische Eigenschaften u.a. mit Hilfe der Spinflip-Ramanspektroskopie hinsichtlich der g-Faktoren und der Beeinflussung des magnetischen Verhaltens durch freie Ladungsträger studiert.

Das Teilprojekt B8 erweitert die röntgenographische Charakterisierung von II-VI-Materialien und ?Schichtsystemen, vor allem in Hinsicht auf die lokalen Eigenschaften. Unter anderem sol-len die lokalen Bindungsverhältnisse, z.B. in (Cd,Mg)Te bzw. (Cd,Mn)Te, über die lokale Elekt-ronendichteverteilung charakterisiert werden. Die lokale geometrische Struktur wird mit Hilfe der Pair-Distribution-Function bestimmt, die eine genaue Charakterisierung der interatomaren Abstände, z.B. in der Nähe einlegierter Atome, ergibt.


Projektbereich C "Nanostrukturen"


Im Projektbereich C sind Forschungsvorhaben zusammengefasst, die die Herstellung und Cha-rakterisierung von Nanostrukturen von II-VI-Halbleitern betreffen. Diese werden entweder durch laterale Nanostrukturierung von MBE-Schichten mittels lithographischer Techniken, mittels Selbstorganisation oder als Nanopartikel über verschiedene chemische Verfahren erzeugt.

Das Teilprojekt C1 beschäftigt sich mit der Entwicklung semimagnetischer Nanostrukturen auf der Basis von II-VI-Halbleitern und mit deren Analyse mittels optischer Spektroskopie. Zur Her-stellung wird die laterale Bandlückenmodulation mittels selektiver Durchmischung eingesetzt. Diese erfolgt entweder durch fokussierte Ionenstrahl-Lithographie oder durch Temperung selek-tiv maskierter Quantenfilme, um z.B. geordnete Draht- und Punktanordnungen, semimagnetische Doppel-Quantenpunkte oder ferromagnetische Nanostrukturen zu erzeugen. Eine spezielle Her-ausforderung stellen die (magneto)optischen Untersuchungen an einzelnen Quantenpunkten dar, wobei zu deren Selektion nanostrukturierte Masken verwendet werden.

Im Teilprojekt C3 werden die lineare Raman- und fs-zeitaufgelöste CARS-Spektroskopie ein-gesetzt, um Quantenpunkte in Glasmatrizen, dünnen Filmen und auf Oberflächen sowie Quan-tendrähte und Quanteninseln zu untersuchen. Interessante Fragestellungen sind vor allem die Bestimmung der Phononen-Phasen-Relaxation als Funktion der Quantenpunktgröße, Zusammen-setzung und Temperatur, die Trennung homogener und inhomogener Anteile des CARS-Signals und die Bestimmung der T1-Lebensdauer der Phononen. Darüber hinaus sollen Mikro-Raman-Untersuchungen an Quantendrähten und -punkten Aufschluss über die Größenverteilung und den Verspannungszustand der Inseln bzw. über die Drahtgrößenabhängigkeit des Elektron-Phonon-Kopplungsparameters geben.

Im Teilprojekt C5 werden mit optimierten nasschemischen Verfahren binäre und ternäre II-VI-Nanopartikel mit schmaler Größenverteilung synthetisiert und teilweise mit magnetischen Ato-men dotiert. Die erfolgreiche Analyse der Nanopartikel-Oberflächen und der Ankopplung der Stabilisatormoleküle mittels hochaufgelöster durchstimmbarer Synchrotronstrahlung soll auf mit unterschiedlichen Präparationsverfahren hergestellte Nanoteilchen ausgedehnt werden. Darüber hinaus soll sowohl mit Synchrotronstrahlung als auch mit optischen Methoden, dabei vor allem mit der konfokalen optischen Mikroskopie, eine sehr viel detailliertere Analyse der physikali-schen Eigenschaften der Teilchen unternommen werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Her-stellung homogener, möglichst geordneter und nanostrukturierter Nanopartikelschichten.

Im Teilprojekt C6 werden neue nasschemische Syntheserouten zur Herstellung von stark fluoreszierenden II-VI-Quantenpunkten (Nanoteilchen) in definierten Teilchengrößen mit möglichst monodisperser Größenverteilung entwickelt. Dabei sollen neuartige biomimetische Synthesemethoden mit Phytochelatinen als Stabilisatoren eingesetzt werden, wobei letztere von verschiedenen Peptiden abgeleitet sind und Cystein-Thiolgruppen als Nukleationsstellen für das Wachstum von CdS-Nanopartikeln besitzen. Diese Nanoteilchen sind sowohl für die Herstellung homogener Schichten (mit TP C5) als auch für eine eingehende Charakterisierung mittels (magneto)optischer und zeitaufgelöster Methoden (mit TP C1, D2, D4), Raman-Spektroskopie (mit TP B7, C3) und mehrerer elektronenspektroskopischer Methoden (mit TP B3, C5) von großem Interesse.

Schließlich werden im neuen Teilprojekt C7 II-VI-Mikroresonatoren mit starkem dreidimensio-nalen photonischen Einschluss entwickelt (mit TP A1, C1) und eingehend optisch charakterisiert. Da sich II-VI-Materialien durch hohe exzitonische Bindungsenergien und Oszillatorstärken aus-zeichnen, sind sie besonders prädestiniert zur Analyse der Exziton-Photon-Wechselwirkung im Bereich der starken Kopplung, auch bei hohen Temperaturen und Anregungen. Interessante As-pekte sind Energie- und Winkelverteilung der Photonmoden, Rabi-Aufspaltung und Purcell-Faktor, z.B. in Abhängigkeit vom Durchmesser der Strukturen.


Projektbereich D "Elektronische, optische und magnetische Eigenschaften"


Im Projektbereich D sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zu elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften von epitaktisch hergestellten Schichtenfolgen und Nanostrukturen zusammengefasst. Die geplanten Arbeiten basieren auf einer engen Wechselwir-kung mit den präparativen Projektbereichen A und C und werden unter Berücksichtigung der Ober- und Grenzflächeneigenschaften (Projektbereich B) durchgeführt.

Im Teilprojekt D1 werden die für verschiedene Teilprojekte wichtigen Berechnungen zur Band-struktur von schmallückigen II-VI-Halbleitern und zur Transporttheorie durchgeführt. Dazu wer-den die selbstkonsistenten Rechnungen mit der k×p-Methode in Hartree-Näherung weiterentwi-ckelt, z.B. zur expliziten Berücksichtigung externer Magnetfelder oder von Änderungen der La-dungsträgerkonzentration in Gatestrukturen. Zur Deutung der anomalen SdH-Oszillationen an p-leitenden HgTe-Quantentrögen muss eine Mehrband-Transporttheorie formuliert werden. Für die Untersuchungen an semimagnetischen Quantenstrukturen bei D3 und D6 ist eine theoretische Behandlung unter Berücksichtigung der Spin-Flip-Streuung sehr wünschenswert.

Im Teilprojekt D2 werden die erfolgreichen magneto-optischen Untersuchungen an semimagne-tischen II-VI-Halbleitern fortgesetzt. Unter anderem soll die optische Anisotropie, die von unter-schiedlichen Grenzflächen-Bindungen hervorgerufen wird, genauer untersucht werden, um damit z.B. die für die Spin-Injektion wichtigen Grenzflächen zu analysieren. Weiterhin werden die Un-tersuchungen zur k-Abhängigkeit der Austauschkonstanten auf Quantenpunktsysteme ausgewei-tet, wobei sowohl nasschemisch synthetisierte als auch durch selbstorganisiertes Wachstum er-zeugte Quantenpunkte verwendet werden. Schließlich wird der dynamische Energieaustausch zwischen dem Mn-Subsystem und dem 2-dim. Elektronengas eingehend analysiert, um zum Ver-ständnis und zur Optimierung von Injektion und Detektion spinpolarisierter Ströme beizutragen.

Im Teilprojekt D3 werden die elektronischen Eigenschaften von Hg-haltigen, schmallückigen II-VI-Verbindungen mittels magneto-optischer Experimente erforscht. Interessant ist hierbei vor allem die Subbandstruktur in quasi-zweidimensionalen Quantentopfstrukturen, wobei insbeson-dere den Raumladungsschichten eine zentrale Bedeutung zukommt. In enger Zusammenarbeit mit TP D1 wird eine möglichst exakte Beschreibung der Subbandstruktur unter Berücksichtigung von Vielteilchen-Effekten angestrebt. Weiterhin ist die Realisierung und eingehende Charakteri-sierung von niederdimensionalen Modellsystemen sowie die Erforschung von semimagnetischen dünnen Schichtstrukturen geplant, wobei z.B. der Einfluss der Nichtparabolizität der Bandstruk-tur und der gezielten Mn-Substitution aufgeklärt werden soll.

Im Teilprojekt D4 wird die zeit- und ortsaufgelöste optische Spektroskopie zur Analyse der Spindynamik in breitlückigen, semimagnetischen II-VI-Nanostrukturen eingesetzt, wobei die Pump-Probe-Experimente im ps/fs-Bereich auch im Magnetfeld erfolgen. Insbesondere werden Fragen zur Spin-Injektion in Heterostrukturen und zum Spin-Transport über Einfach-Hetero-Grenzflächen, Doppelbarrieren und gekoppelte Quantenfilm-Strukturen erforscht. Hinsichtlich sog. Spin-Aligner bzw. Spin-Filter ist die longitudinale bzw. transversale Spinrelaxation von großem Interesse. Schließlich ist auch die Dimensionsabhängigkeit der Phänomene von großer Bedeutung, z.B. die Frage nach einem Spin-Bottleneck in null-dimensionalen Systemen.

Im Teilprojekt D5 wird die Theorie der statistisch verteilten Vielteilchen-Wechselwirkungen auf II-VI-Halbleiter angewendet, wobei nun vor allem die Transportmechanismen im Detail betrach-tet werden. Zum Beispiel soll die sehr wichtige Wechselwirkung der Elektronenspins mit den statistisch orientierten magnetischen Momenten in einem zweidimensionalen Elektronengas ein-gehend studiert werden. Darüber hinaus sollen Leitwertfluktuationen berechnet und der Einfluss der Parisi-Replica-Symmetriebrechung auf mesoskopische Eigenschaften bestimmt werden. Wei-terhin wird erwartet, dass die inelastische Streuung an magnetischen Momenten unter bestimm-ten Bedingungen zu einem Metall-Isolator-Übergang führt, wobei wegen der hierarchischen Ord-nung der Ordnungsparameter eine völlig neue Theorie der Lokalisierung möglich ist.

Im Teilprojekt D6 sollen schließlich Quantentransportphänomene in (Cd,Hg)Te-Quantentrog-Strukturen bei tiefen Temperaturen untersucht werden. Ein Schwerpunkt der Arbeiten wird dabei das Transportverhalten in HgTe-Quantentrögen betreffen, die bei p-Dotierung neuartige Trans-portphänomene aufweisen. Unter anderem sollen dichteabhängige Experimente zum Verständnis der symmetriebestimmten Spin-Aufspaltung des Valenzbandes und der Zustände unterschiedli-cher effektiver Massen am Fermi-Niveau durchgeführt werden. In einem zweiten Schwerpunkt werden Spin-Glas- und Kondo-Systeme studiert, wobei durch Nanostrukturierung Mikro-Hall-Bar-Strukturen hergestellt werden. Diese lassen sich als Mikro-Magnetometer zur Untersuchung der Kondo-Anomalie und der Spin-Glas-Korrelationen einsetzen.

Ergebnisse:
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Auszeichnungen und Preise:
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Ausstattung:
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