Speckle Analysis of the Excitonic Emission fromQuantum Wells

Abstract

In der vorliegenden Promotionsarbeit werden optische Eigenschaften von Halbleiterquantengräben untersucht, die mit der Ausbildung von Speckle-Mustern in der exzitonischen Emission zusammenhängen. Die in nichtspekulärer Richtung nach resonanter Anregung von Exzitonen ausgestrahlte Emission enthält Informationen über Unordnung und Streuprozesse in der Probe. Im Kapitel "Spektrale Speckle-Analyse" wird gezeigt, dass Speckles zur Bestimmung des koährenten Anteils verwendet werden können. Außerdem kann die innerhalb des inhomogen verbreiterten Ensembles frequenzaufgelöste Lebensdauer der Exzitonen bestimmt werden. Eine mikroskopische Dichtematrixtheorie wird entwickelt und numerisch gelöst. Es wird eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten für unterschiedliche Quantengraben-Dicken und Temperaturen gefunden. Im Kapitel "Schrägliegende Speckles" werden Quantengräben mit mechanischer Verzerrung betrachtet. Die Verzerrung führt zu einer ort-abhängigen Änderung der Emissionsenergie in der Ebene des Quantengrabens und das richtungs- und zeitaufgelöste Specklemuster erfährt eine Drehung. Die theoretische Beschreibung des Rayleigh-Spektrums erlaubt es, diese Drehung mit dem lokalen Wert des Gradienten der Exzitonenergie in Beziehung zu setzen. Numerische Simulationen zeigen allerdings, dass dieser Effekt nicht durch eine Bewegung der Exzitonen entlang des Verzerrungs-Gradienten verursacht wird. Im Kapitel "Nicht-Markovsche Exziton-Phonon Dynamik" die Dichtematrixtheorie, wird jenseits der Markovschen Näherung für die Streuung von Exzitonen an akustischen Phononen numerisch gelöst. Das Absorptionsspektrum besteht aus Lorentz-formige Peaks und breiteren Seitenbändern, die aus der nicht-Markovschen Kopplung stammen. Diese Eigenschaften sind vor allem für die stark lokalisierten Zustände auf der Niederenergie-Seite des Spektrums wichtig, und erlauben eine bessere Deutung von Nahfeld-Experimenten.

In this work, optical properties of semiconductor quantum wells (QW) are investigated, which are relevant for the irregular light pattern (speckle pattern) emitted in nonspecular directions by QW after resonant excitation of the exciton states. This emission contains information on disorder and scattering processes in the sample. In Chapter "Spectral Speckle Analysis", it is shown that Speckles can be used for extraction of the coherent part of the emission, the Resonant Rayleigh Scattering. Furthermore, the frequency resolved lifetime of excitons within an inhomogeneously broadened ensemble can be established. A microscopic density matrix theory for excitons interacting with acoustic phonons is developed and numerically solved. Good agreement with the experimental results for different QW sizes and temperatures is found. In Chapter "Sloped Speckles" QW with mechanical strain are considered. The strain leads to a spatially dependent modification of the emission energy and to a tilting of the direction- and time-resolved speckle pattern. The theoretical description of the RRS relates this tilting to the local value of the spatial gradient of the exciton energy. However, numerical simulations make clear that this effect is not due to exciton motion along the strain gradient. In Chapter "Non-Markovian exciton-phonon dynamics" the density matrix theory is numerically solved beyond the Markov approximation for the interaction between excitons and acoustical phonons. The resulting absorption spectrum consists of Lorentzian peaks on top of broader sidebands originating from the non-Markovian coupling. These features are mostly important for the strongly localized states in the low energy side of the spectrum, suggesting a better interpretation of near-field experiments.