Spektroskopie an Halbleitermaterialien und Datenspeicherung mit Quantenpunkten

Abstract

Die Optoelektronik und Halbleiterphysik bieten ein breites Spektrum an Forschungsmöglichkeiten, das von der Grundlagenforschung bis hin zu praktischen Anwendungen reicht. Im Rahmen dieser Dissertation wird an beiden Enden dieses Spektrums geforscht, was zu zwei Publikationen geführt hat. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen hat sich die Bedeutung des Verständnisses des Ladungsträgertransports an Grenzflächen maßgeblich gesteigert. Heute sind die charakteristischen Längenskalen in der Halbleiterindustrie auf wenige Nanometer geschrumpft. Dies hat zur Folge, dass der Ladungsträgertransport maßgeblich von den Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten beeinflusst wird und nicht mehr nur von einem einzelnen Bulk-Material bestimmt wird. In Publikation 1 wird die Ladungsträgerdiffusion in Typ-I-Quantentöpfen mit direkter Bandlücke und Typ-II-Heterostrukturen systematisch untersucht. Aufgrund der Nähe der Ladungsträgerdiffusion zu den inneren Grenzflächen in Typ-II-Heterostrukturen eignen sie sich gut, um die Effekte solcher Grenzflächen zu untersuchen. Überraschenderweise zeigen sowohl Typ-I- als auch Typ-II-Strukturen vergleichbare Diffusionsraten, sofern sie ähnliche inhomogene Linienbreiten der Exzitonen aufweisen. Da die inhomogenen Linienbreiten ein Maß für die strukturelle Qualität der Proben sind, deutet dieses Ergebnis darauf hin, dass die Anwesenheit von Grenzflächen selbst nur einen geringen Einfluss auf die Diffusion und den Ladungsträgertransport hat, verglichen mit der strukturellen Qualität dieser Grenzflächen. Während quasi zweidimensionale Quantentöpfe für ihre Eigenschaften beim Ladungsträgertransport genutzt werden, sind die Ladungsträger in ihren nulldimensionalen Verwandten, den Quantenpunkten, in allen drei Raumrichtungen eingeschlossen, womit keine Diffusion stattfinden kann. Dieser Einschluss führt zu besonderen Eigenschaften, wobei insbesondere die optischen Eigenschaften vielseitig nutzbar sind. So werden Quantenpunkte beispielsweise als Biomarker eingesetzt und eignen sich zur Erzeugung lesbarer optischer Strukturen auf verschiedenen Substraten, was sie zu idealen Kandidaten für Datenspeicheranwendungen macht. Im heutigen Informationszeitalter steigt der Bedarf an höherer Datendichte, Kosteneffizienz, Energieeffizienz und Langlebigkeit kontinuierlich. Obwohl die Bandspeicherung bereits 1953 für den allgemeinen Gebrauch eingeführt wurde, ist sie nach wie vor die bevorzugte Methode bei der Datenarchivierung. Neue Lösungen wie die DNA-Datenspeicherung kämpfen noch mit wirtschaftlichen und Zugänglichkeitsproblemen. Somit besteht ein großer Bedarf an praktischen und schnell verfügbaren Alternativen. In Publikation 2 wird daher eine neue Methode zur Datenspeicherung vorgestellt, die den Tintenstrahldruck auf Papier mit der größenabhängigen Emission von Quantenpunkten kombiniert. Die Grundsatzbeweis-Anwendung demonstriert, dass es mit einem Tintenstrahldrucker, auf Quantenpunkten basierenden Tinten und Papier als Substrat möglich ist, mehrere Datenbits auf einen einzigen Punkt zu drucken und diese mit einem Photolumineszenzaufbau auszulesen. Die Studie umfasst erste Stabilitätstests, die Untersuchung des zusätzlichen Skalierungspotenzials aufgrund von steuerbarer Emissionsintensität und die Abschätzung der potenziell erreichbaren Datendichte der Methode. Insgesamt liefern die Ergebnisse einen Grundsatzbeweis für eine Methode, das sich als vielversprechende Alternative zur Bandspeicherung für die langfristige Datenspeicherung anbietet.