Experimentalphysik/Festkörperphysik

Zeitaufgelöste Photolumineszenzspektroskopie mittels Einzelphotonenzählen

Wir verwenden zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL), um die Ladungsträgerdynamik in Halbleitern zu untersuchen. Eine Probe (z. B. eine Halbleiter-Heterostruktur) wird mit einem gepulsten Laser angeregt und die resultierende Lumineszenz wird als Funktion der Zeit aufgenommen, was Einblicke in die Natur der strahlenden und nicht-strahlenden Übergänge gibt, die zwischen Anregung und Emission auftreten. Um sowohl einen hohen Dynamikbereich als auch eine gute zeitliche Auflösung zu erreichen, verwenden wir die Technik der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC). Anstatt zu versuchen, die zeitliche Entwicklung der Signalintensität in Echtzeit aufzulösen, werden hier zufällige Photonen aus dem Photonenstrom detektiert und ihre Ankunftszeit mit dem Timing des Anregungspulses korreliert. Die Messung vieler dieser Ereignisse über Millionen von Anregungspulsen führt zu einem Histogramm der Ankunftszeiten, das den zeitlichen Verlauf der Lumineszenz nach einem Anregungspuls widerspiegelt. Auf diese Weise sind zeitliche Auflösungen im Bereich von 30ps erreichbar. Abhängig von den untersuchten Strukturen können verschiedenste Anregungsbedingungen verwendet werden, um beispielsweise eine resonante Anregung eines bestimmten Übergangs zu erreichen. Insbesondere verwenden wir einen frequenzverdoppelten, -verdreifachten oder -vervierfachten Ti:Sa-Laser mit Pulslängen von ~ 2ps (oder bei Bedarf ~ 600fs) und einer Repetitionsrate von 80MHz, der mit einigen Lücken den Anregungswellenlängenbereich von 200 bis 1000 nm abdeckt; einen 266 nm frequenzvervierfachten Nd: YAG mit variabler Repititionsrate bis hinunter zu 31 kHz (wodurch langsame Abklingvorgänge im µs-Bereich gemessen werden können) und einen leistungsstarken frequenzverdoppelten (515 nm) oder -vervierfachten (257 nm) Faserlaser (~ 2 ps, 76MHz). Die zeitliche Auflösung wird im Allgemeinen durch die verwendeten Detektoren begrenzt (von etwa 150 ps für einen herkömmlichen Photomultiplier bis etwa 30 ps für einen Mehrkanalplatten-Photomultiplier).