| Autor(en): |
Peter Gaal |
Titel: |
Nonlinear THz spectroscopy on n-type GaAs |
| Gutachter: |
Thomas Elsässer; Oliver Benson; Karl Unterrainer |
| Erscheinungsdatum: |
20.11.2008 |
| Volltext: |
pdf
(urn:nbn:de:kobv:11-10093396)
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| Fachgebiet(e): |
Physik |
| Schlagwörter (ger): |
Galliumarsenid, ultraschnelle Spectroskopie, THz Erzeugung, Quanten-kinetischer Ladungsträgertransport, flache Störstellen |
| Schlagwörter (eng): |
ultrafast spectroscopy, gallium arsenide, THz generation, Quantum, kinetic charge transport, shallow donors |
| Einrichtung: |
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Zitationshinweis: |
Gaal, Peter:
Nonlinear THz spectroscopy on n-type GaAs;
Dissertation,
Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 20.11.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10093396
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| Abstract (ger): |
| In dieser Arbeit wird die ultraschnelle Dynamik von
Leitungsbandelektronen in Halbleitermaterialien mit Hilfe
nichtlinearer Terahertz-Spektroskopie erforscht. Insbesondere wird
n-dotiertes Galliumarsenid bei mittleren Dotierdichten zwischen
10^(16) cm^(-3) und 10^(17) cm^(-3) untersucht. Für die
Erzeugung intensiever THz Strahlung wurde eine neuartige Quelle
entwickelt, die THz Transienten mit nur einer Oszillationsperiode
und maximalen Feldamplituden von mehr als 400 kV/cm liefert. Diese
THz-Quelle benutzt ultrakurze optische Laserpulse aus einem
Ti:Saphir Oszillator. Zusätzlich wurde ein neuartiger zwei-Farben
Anrege-Abtast Experimentierplatz aufgebaut, der zweidimensionale,
zeitaufgelöste Messungen im mittleren und fernen Infrarotbereich
ermöglicht.
Feldionisation flacher, neutraler Störstellen im
Galliumarsenid-Gitter mittels intensiver, ultrakurzer THz Impulse
und die anschliessende kohärente, strahlende Rekombination von
Elektronen in die Störstellen-Grundzustände bei Raumtemperatur wird
gezeigt. Der superradiante Zerfall der nichtlinearen Polarisation
führt zur Abstrahlung eines kohärenten Signals mit Lebensdauern
von über einer Pikosekunde. Solche nichtlinearen Signale, die
10-fache Lebensdauern im Vergleich zum linearen Fall aufweisen,
wurden in dieser Arbeit zum ersten Mal gemessen. Bei niedrigen
Temperaturen und THz Feldstärken unter 5 kV/cm werden
Rabi-Oszillationen an Übergängen in flachen Störstellen
demonstriert.
Zum ersten Mal konnte die polare Elektron-LO-Phonon Wechselwirkung
im quantenkinetischen Regime direkt gemessen werden. Die
quasi-instantane Beschleunigung von Leitungsbandelektronen im
polaren Galliumarsenid-Gitter und die anschließende Messung der
Transmission im mittleren Infrarot-Bereich, zeigen eine Modulation
der Transmission entlang der Anrege-Abtast Verzögerung mit der
Frequenz des LO Phonons. Diese Oszillation ist ein direktes Maß der
relativen Phase zwischen der Elektronenbewegung und der umgebenden
Phonon Wolke. Quantenkinetische Modellrechnungen reproduzieren
vollständig die beobachteten Effekte.
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| Abstract (eng): |
| In this thesis, the ultrafast dynamics of conduction band electrons
in semiconductors are investigated by nonlinear terahertz (THz)
spectroscopy. In particular, n-doped gallium arsenide samples with
doping concentrations in the range of 10^16cm^(-3) to
10^17 cm^(-3) are studied. A novel source for the generation
of intense THz radiation is developed which yields single-cycle THz
transients with field amplitudes of more then 400 kV/cm. The THz
source uses ultrashort optical laser pulses provided by a
Ti:sapphire oscillator. In addition, a two-color THz-pump
mid-infrared-probe setup is implemented, which allows for
two-dimensional time-resolved experiments in the far-infrared
wavelength range.
Field ionization of neutral shallow donors in gallium arsenide with
intense, ultrashort THz pulses and subsequent coherent radiative
recombination of electrons to impurity ground states is observed at
room temperature. The superradiant decay of the nonlinear
polarization results in the emission of a coherent signal with
picosecond lifetimes. Such nonlinear signals, which exhibit a
lifetime ten times longer than in the linear regime are observed for
the first time. At low temperatures and THz field strengths below
5 kV/cm, Rabi flopping on shallow donor transitions is demonstrated.
For the first time, the polar electron-LO phonon interaction is
directly measured in the quantum kinetic transport regime.
Quasi-instantaneous acceleration of conduction band electrons in the
polar gallium arsenide lattice by the electric field of intense THz
pulses and subsequent probing of the mid-infrared transmission
reveals a modulation of the transmission along the THz-mid-infrared
delay coordinate with the frequency of the LO phonon. These
modulations directly display the relative phase between the electron
motion and its surrounding virtual phonon cloud. Quantum kinetic
model calculations fully account for the observed phenomena.
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