Manipulation von Spinzuständen in einzelnen II-VI Halbleiter-Quantenpunkten

Abstract

Halbleiter-Quantenpunkte sind Objekte in der Größenordnung von Nanometern, in denen wenige Ladungsträger in alle drei Raumrichtungen durch eine Potentialbarriere eingesperrt sind. Dies führt zu einer reduzierten Wechselwirkung mit dem Halbleiter-Gitter und zu einer diskreten Zustandsdichte. Die große Polarität der Bindung dazu, dass viele Wechselwirkungen direkt durch Spektroskopie der Photolumineszenz zu beobachten sind, was sie für die Grundlagenforschung attraktiv macht. Die ungleiche Anzahl von Elektronen und Löchern erlaubt die Untersuchung einzelner, ungepaarter Ladungsträger. Mit Hilfe der polarisationsaufgelösten Mikro-PL Spektroskopie werden Spinzustände einzelner QP reproduzierbar untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei Wechselwirkungen der Teilchen untereinander. Über die Anregungsspektroskopie werden höherangeregte Zustände identifiziert und charakterisiert. Die hier auftretenden Austauschwechselwirkungen führen zur Mischung zu Feinstrukturen im Spektrum. Kopplungen im angeregten Lochzustand zeigen die Möglichkeit zur optischen Orientierung des residenten Elektrons auf. Die Spinkonfiguration der Elektronen im Triplettzustand erlaubt es, die Elektron-Loch Austauschwechselwirkungen des Trions zu untersuchen. Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit semimagnetischen QP. Hier sorgt die Wechselwirkung mit einer paramagnetischen Umgebung von Manganspins für neue magneto-optische Eigenschaften. Diese zeigen sich auf der Ebene einzelner QP in Form von Linienverbreiterungen durch Spinfluktuationen als auch durch den Riesen-Zeeman-Effekt am QP-Ensemble. Besonderes Augenmerk liegt hier auf dem Einfluss der reduzierten Dimensionalität und der größeren Oberflächen der QP auf die Austauschmechanismen. Die starke Temperaturabhängigkeit der Spinumgebung wird ausgenutzt, um das Spinaufheizen als auch die Spin-Gitter-Relaxationsystematisch zu studieren. Dabei wird die PL der QP als Monitor benutzt.

Semiconductor quantum dots are objects on the nanometer scale, where charge carriers are confined in all three dimensions. This leads to a reduced interaction with the semiconductor lattice and to a discrete density of states. In the examined QD in II-VI seminconductor systems the large polar character of the bindings enables to observe particle interactions by spectroscopy of the photo-luminescence, making QD attractive for basic research. An odd number of carriers allows to study the latter in an unpaired state. By using polarization-resolved micro-PL spectroscopy, the spin-states of single, isolated QD can be studied reproducibly. Of special interest are exchange interactions in this few-particle system named trion. By excitation spectroscopy energetically higher states can be identified and characterized. The exchange interactions appearing here lead to state mixing and fine structure patterns in the spectra. Couplings in excited hole states show the way to the optical orientation of the resident electron spin. The spin configuration of the trion triplet state can be used to optically control the resident electron spin. Semimagnetic QD are focused in the second part of this work. The interaction with a paramagnetic environment of manganese spins leads to new magneto-optical properties of the QD. They reveal on a single dot level by line broadening due to spin fluctuations and by the giant Zeeman effect of the dot ensemble. Of special interest in this context is the influence of the reduced system dimension and the relatively larger surface of the system on the exchange mechanisms. The strong temperature dependence of the spin environment is used to systematically study the spin-lattice relaxation. Here, the PL of the QD ensemble monitors the spin temperature. The time constants in the mu range define the range for the incoherent switching of the Mn magnetization.