Halbleiter: Energiefluss nach ultrakurzer Anregung
Ultraschnelle Spektroskopie zeigt in bisher unerreichter Detailgenauigkeit, wie sich Energie aus fs-Laserpulsen in Germanium ausbreitet.
Die Vorgänge im Inneren von Halbleitermaterialien sind nach wie vor Gegenstand der Forschung: Aktiviert man die Elektronen in durch Licht oder elektrische Spannung, setzen die angeregten Elektronen auch das Atomgitter in Bewegung. Dabei entstehen Phononen, die untereinander und mit den Elektronen in Wechselwirkung stehen. Diese winzigen Gitterschwingungen tragen entscheiden dazu bei, wie sich Energie und Wärme im Material ausbreiten – also wie effizient die Energie genutzt werden kann und wie stark sich das Material erhitzt. Durch verschiedene Ansätze lässt sich die Ausbreitung der Gitterschwingung steuern und kontrollieren – und damit den Halbleiter effektiver und effizienter machen.
Detailliertes Wissen um Mechanismen des Energieverlusts und möglicher Überhitzung ist wichtig, um gezielt neue Materialien und Geräte zu entwerfen, die sich weniger erwärmen, sich schneller erholen oder präziser auf äussere Anregung reagieren. Ein Team um Ilaria Zardo von der Universität Basel berichtet von bisher unerreicht genauen Messungen der Energiefluss-Prozesse im Halbleiter Germanium. Das Team vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute hat eine besondere Technik entwickelt, mit der sich genau messen lässt, wie sich Elektronen und Phononen nach einer Anregung durch ultrakurze Laserpulse von nur dreißig Femtosekunden im Kristallgitter des untersuchten Materials bewegen und Energie austauschen. Damit konnten die Forschenden zeigen, wie die Energie im Material weiterfließt, wie sie übertragen wird und sich in Wärme umwandelt.
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„Durch die Kombination von zwei Spektroskopie-Methoden ist es uns erstmal gelungen, in Echtzeit zu beobachten, wie die Energie Schritt für Schritt vom elektronischen System auf das Gitter übergeht. Zudem können wir beobachten wie sich dieFrequenz, Intensität und Dauer der Gitterschwingungen nach der Anregung zeitlich verändern“, erklärt Grazia Raciti.
Dabei misst die zeitaufgelöste Raman-Spektroskopie, feine Veränderungen in den Schwingungen des Atomgitters. Die transiente Reflexionsspektroskopie dagegen erfasst die Veränderung des Lichtverhalten nach der kurzen Anregung.
Herausfordernd bei den Messungen ist die Winzigkeit der Signale und der Zeitachse, auf der sich die Wechselwirkungen abspielen. Die Messungen laufen über 48 Stunden, wobei das System einmal pro Mikrosekunde mit einem kurzen Laserpulsen angeregt wird. Die beobachteten Veränderungen des Systems spielen sich dann im Pikosekundenbereich ab.
Mit der entwickelten Methode sind unglaublich schnelle Messungen mit extrem hoher Empfindlichkeit möglich. Die Forschenden können winzige Änderungen von weniger als einem Prozent in der Intensität und unter 0,2 cm-1 in der Frequenz feststellen. Aufgrund dieser hohen zeitlichen und energetischen, atomaren Auflösung lassen sich verschiedene Energieverlust-Mechanismen voneinander unterscheiden.
Die Forschenden vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel ergänzten die experimentellen Untersuchungen mit aufwendigen Computersimulationen. Sie konnten damit die den Messergebnissen zugrunde liegenden physikalischen Prozesse im Detail nachvollziehen.
Das kombinierte Ergebnis ist ein detailliertes Bild, wie Energie in dem Halbleiter Germanium nach einer ultraschnellen Anregung verteilt und wieder abgebaut wird. „Diese Grundlagenforschung ist für das Verständnis und die Weiterentwicklung moderner Elektronik und neuartiger phononischer Bauelemente von entscheidender Bedeutung und kann damit zu besseren Chips, Sensoren oder anderen elektronischen Geräten führen“, kommentiert Zardo. [U Basel / dre]
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