Kropki samorosnące Optyka nanostruktur InAs/GaAs QDs Si/Ge QDs Sebastian Maćkowski Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Adres poczty elektronicznej: mackowski@fizyka.umk.pl Biuro: 365, telefon: 611-3250 CdSe/ZnSe QDs CdTe/ZnTe QDs Kropki fluktuacje szerokości Gęstość stanów ρ (E) ρ (E) ρ (E) E E E
Różnorodność kropek Techniki eksperymentalne recombination spectrum of a single quantum dot quantum dots in the ensemble are not identical 0D δ-like density of states T=6K the ensemble QD emission shows strong inhomogenous FWHM ~60meV broadening 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 PL intensity Techniki eksperymentalne Mikroskopia bliskiego pola aperture mesa NSOM D. Park, et al., JVST B 16 (1998) 3891 http://www.physik.uni-wuerzburg.de/ TEP/index.html H. F. Hess, et al., Science 264 (1996) 1740 -) low throughput -) no mapping possible -) fabrication -) no statistical information about QD properties
Mikroskopia bliskiego pola Mikroskopia bliskiego pola Katodoluminescencja Wytrawianie mez substrate
Pierwsze wyniki Pierwsze wyniki Apertury Apertury
Najważniejsze wyniki Ekscyton w polu B Oddziaływanie wymiany Struktura ekscytonu w kropce rozszczepienie wymiany dla ekscytonu w asymetrycznej kropce
Struktura ekscytonu w kropce Mikroluminescencja B=0T B>0T asymmetric QD symmetric QD symmetric QD π Y π X +1 + +1 +1 +1 σ + ±1 σ σ + σ +1 1 150 nm Układ pomiarowy Szerokość linii
Spektroskopia Spektroskopia Ekscyton w kropce kwantowej Ekscyton w kropce kwantowej rozszczepienie spinowe przesunięcie diamagnetyczne
Statystyka Statystyka rozszczepienie wymiany czynnik g ekscytonu dla B=4T rozszczepienie ~ 1meV Spektroskopia rezonansowa Widmo emisji absorpcja z wykorzystaniem fononów optycznych ES LO emission GS +1LO GS excitation 0 kontrola polaryzacji światła pobudzającego daje możliwość pomiaru dynamiki spinowej ekscytonu
Mikroluminescencja Spin ekscytonu symmetric QD ±1 czas relaksacji spinu << czas rekombinacji σ + σ PL intensity [a.u.] T=4.2K B=0T σ + excitation σ + detection σ detection σ excitation 3LO 2LO 1LO σ+/σ+ σ+/σ σ /σ σ /σ+ CdTe QD T=5K B=0T 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.0640 2.0645 2.0650 S. Mackowski et al., PRB 70 (2004) 245312 Spin ekscytonu Spin ekscytonu asymmetric QD symmetric QD +1 + +1 czas relaksacji spinu >> czas rekombinacji +1 czas relaksacji spinu >> czas rekombinacji +1 +1 1 π Y π X σ + σ PL Intensity [arb. units] π Y /π Y π Y /π X π X /π X π X /π Y ensemble of T=5K π Y /π Y π Y /π X π X /π X π X /π Y single CdTe QD T=5K PL intensity [a.u.] T=4.2K B=3.5T σ + excitation σ + detection σ detection σ excitation 2LO 3LO 1LO σ+/σ+ σ+/σ σ /σ σ /σ+ CdTe QD T=5K B=2.5T 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.0120 2.0125 2.0130 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.08 2.09 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.0640 2.0645 2.0650 S. Mackowski et al., PRB 70 (2004) 245312 S. Mackowski et al., PRB 70 (2004) 245312
Widmo wzbudzenia kropek Stany wzbudzone PL Intensity [arb.units] LO phonon replicas ES-GS excitation data fit T=6K (a) Normalized Intensity shifted PL spectrum ES-GS excitation ~100meV ZnTe barrier 1.95 2.00 2.05 2.10 2.15 2.20 2.25 2.30 2.35 2.40 Emission 2.05 2.10 2.15 stany wzbudzone mają podobny rozkład do rozkładu stanów podstawowych, są przesunięte o około 100 mev w stronę wyższych energii Widmo wzbudzenia Spektroskopia rezonansowa dwa typy rezonansów obserwowane dla kropek kwantowych CdTe/ZnTe QDs T. Nguyen, SM, et al., PRB 2004
Podobieństwo widm PLE Obrazowanie luminescencji better spatial resolution improved signal to noise ratio Intensity [arb. units] aperture 800nm T=7K PL dot A dot B dot C PLE dot C dot A dot B widma PLE wskazują na występowanie identycznych rezonansów dla różnych kropek kwantowych w zespole increase of the refractive index between the microscope and the sample increases the effective numerical aperture of the system 2,01 2,02 2,03 2,11 2,12 2,13 T. Nguyen, SM, et al., PRB 2007 enhanced collection efficiency should enable large field mapping usable at low temperature easy to fabricate, materials used: -) zirconium dioxide, n=2 -) gallium phosphide, n=3.5 -) Schott glass, n=1.8 Obrazowanie luminescencji Obrazowanie luminescencji K. Hewaparakrama, SM, et al., APL 2004
Mapowanie luminescencji Mapowanie luminescencji Y [µm] 12 10 8 6 4 PL intensity [arb. units] T=7K 2 0 1 2 3 4 5 6 7 X [µm] 603 606 609 612 615 618 Wavelength [nm] for each emission energy a PL an ~ 8x8 µm map is collected approximately 10 5 individual dots can be imaged with a very high signal to noise ration in a single ½ hour acquisition K. Hewaparakrama, SM, et al., APL 2004 Mapowanie rezonansów Mapowanie rezonansów
Mapowanie rezonansów Model układu identyczne rezonanse występują dla kropek o różnym położeniu T. Nguyen, SM, et al., PRB 2007 E Y drut łączący dwie kropki kwantowe X distance between the dots 106 nm wire - 500 nm long stany związane są wyraźnie oddzielone od stanów ciągłych Density of states Probability 12 10 8 6 4 2 0 1,0 (c) 0,8 0,6 0,4 0,2 confined states red - QD1 blue - QD2 black - platelet 0,0 0 4 8 12 Energy [arb. units] continuum (b) 300 200 100 T. Nguyen, SM, et al., PRB 2007 0 Quantum state Model układu Probability 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 QD1 x QD2 E1 E2 8 12 Energy [arb. units] Y Distance [nm] 2 4 6 8 10 platelet E1 (b) QD1 QD2 240 320 200 280 360 2 wzbudzenie placka umożliwia obsadzenie obu kropek kwantowych Y Distance [nm] 4 6 8 E2 platelet T. Nguyen, SM, et al., PRB 2007 10 (c) QD1 QD2 240 320 200 280 360 X Distance [nm]