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TU Berlin

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Teilprojekt B8: "Selbstorganisiertes Wachstum und elektronische Transporteigenschaften von Quantenpunktstrukturen"

E. Schöll und A. Wacker

 

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Zusammenfassung

In diesem Teilprojekt werden Systeme aus selbstorganisierten Quantenpunkten betrachtet. Diese bestehen in der Regel aus einer oder mehreren aufeinanderfolgenden Schichten mehr oder weniger regelmäßig angeordneter einzelner Quantenpunkte, wie sie in mehreren anderen Teilprojekten des Sonderforschungsbereiches hergestellt und ebenfalls untersucht werden. Unser Teilprojekt dient der theoretischen Fundierung und begleitenden Computersimulation. Dabei sollen einerseits Wachstumssimulationen auf der Basis der kinetischen Monte-Carlo-Methode weiterentwickelt werden, andererseits soll ein neuer Schwerpunkt zum elektronischen Transport durch Quantenpunkte geschaffen werden.

Unsere kinetischen Monte-Carlo-Simulationen haben uns bislang Informationen über die Größenverteilung und die räumliche Anordnung der Quantenpunkte in der ersten Schicht geliefert. In der nächsten Antragsphase wollen wir diese Simulationen auf verschiedene anisotrope Materialsysteme ausweiten, um den Einfluss der Anisotropie des Substrates auf die Anordnung und Form der gewachsenen Strukturen zu studieren. Weiterhin soll das Wachstum von Quantenpunkt-Stapeln simuliert werden, bei denen starke räumliche Korrelationen oder Antikorrelationen der Quantenpunkte in benachbarten Schichten auftreten. Ebenso wollen wir den Einfluss eines aktiven Wetting-Layers, welches Material zum Wachstum der Quantenpunkte liefert, in unsere Simulationen einbeziehen.

Die Größen- und Abstandsverteilung der Quantenpunktsysteme wirkt sich stark auf die Lage und Verbreiterung der elektronischen Energieniveaus aus. Dies lässt sich in Tunnelexperimenten oder Kapazitäts-Spannungs-Messungen experimentell verifizieren. Für die entsprechenden experimentellen Halbleiterstrukturen wollen wir Transportsimulationen durchführen. Betrachtet werden sollen insbesondere resonante Tunnelprozesse und die Einfang- und Emissions-Kinetik von Quantenpunktschichten, die in eine pn-Diode oder eine resonante Tunneldiode integriert sind. Durch den Vergleich mit den makroskopischen Messgrößen wollen wir so Infomationen über die mikroskopischen Parameter wie Energieniveaus der Quantenpunkte, deren Schwankungen sowie die Kopplungen zwischen benachbarten Punkten gewinnen. Hierbei sollen die Ergebnisse der Wachstumssimulation direkt in die Transportrechnungen einfließen.

Neben der Transportsimulation dieser zur Zeit verwendeten Strukturen wollen wir nach neuartigen Strukturen suchen, in denen Bistabilitäten des Ladungszustandes der Quantenpunkte auftreten. Solche Strukturen könnten als sehr kleine Speicherelemente verwendet werden. Ferner ist angedacht, Rechnungen zum Tunneln aus STM-Spitzen in Quantenpunktsysteme zu beginnen.

(i) Kinetische Monte-Carlo-Simulation des selbstorganisierten Wachstums von Quantenpunkten

Ziel ist die Modellierung der nichtlinearen Wachstumskinetik von Quantenpunkten mittels kinetischer Monte-Carlo-Simulation. In Abstimmung mit den experimentellen Wachstumsprojekten A1 und A7 soll die Nichtgleichgewichts-Wachstumskinetik durch detaillierte Untersuchungen des Einflusses von Parametern wie Temperatur, Depositionsrate, Bedeckung etc. optimiert werden. Unter Berücksichtigung der kontinuumstheoretischen Modellierung des Verspannungsfeldes und der anisotropen Oberflächendiffusion soll ein detailliertes Modell entwickelt werden, wobei auch eine Zusammenabeit mit dem Teilprojekt A5, in dem hierzu ab-initio-Rechnungen der Gesamtenergie durchgeführt werden, vorgesehen ist. Ein wichtiges Ziel ist das Verständnis von Korrelations- und Antikorrelationseffekten in vertikalen Stapeln von Quantenpunkten, sowie des Einflusses eines aktiven Wetting-Layers, welches Material zum Wachstum der Quantenpunkte liefert.

(ii) Transporttheorie in Quantenpunktsystemen

Wir wollen die elektronischen Transporteigenschaften von selbstorganisierten Quantenpunktstrukturen untersuchen. Unser Ziel ist dabei zum Einen, ein besseres Verständnis der Einzelprozesse wie z.B. der Einfang- und Emissions-Kinetik zu erzielen und zum Anderen die Simulation realistischer Strukturen inklusive der äußeren Kontaktierung durchzuführen.

Durch Simulationen der C-V Kennlinien einer pn-Diode, in die eine Schicht von Quantenpunkten integriert ist, wollen wir im direkten Vergleich mit dem Experiment (B1) die Lage der Energieniveaus in den Quantenpunkten bestimmen. Weiterhin sollen im Rahmen einer zeitabhängigen Simulation im Vergleich mit der frequenzabhängigen Admittanzspektroskopie Informationen über die Zeitkonstanten der Umladung der Quantenpunkte gewonnen werden.

Eine direkte Information über die Lage der Energieniveaus von gekoppelten Quantenpunktsystemen sowie von dephasierenden Streuprozessen kann man aus resonanten Tunnelprozessen erhalten. Hierbei werden sowohl der Tunnelstrom als auch die Rauscheigenschaften des Tunnelstroms untersucht. Dies wollen wir für verschiedene Anordnungen von Quantenpunkten entsprechend der Wachstumssimulationen aus Punkt (i) studieren. Insbesondere soll dabei der Einfluss der vertikalen Korrelation von gestapelten Quantenpunktschichten studiert werden. Hierbei ist eine enge Zusammenarbeit mit B2, wo Coulombeffekte und die Relaxationskinetik einzelner Quantenpunkte studiert werden, vorgesehen. Wir beginnen dabei mit Strukturen integriert in eine Tunneldiode die eine Lage Quantenpunkte oder zwei Lagen Quantenpunkte enthalten; an eine Erweiterung auf Tunnelprozesse von STM-Spitzen in Kooperation mit Teilprojekt A4 ist gedacht.

Im weiteren Verlauf des Antragszeitraumes wollen wir komplexere Systeme aus Quantenpunkten und ihrer Umgebung (z.B. pn-Schichten, Halbleiter-Schichtstrukturen) betrachten und hierbei in direkter Kooperation mit B1 nach Möglichkeiten der Ladungsspeicherung und bistabilem Verhalten suchen.

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