Magnetometrie an Halbleiter-Nanostrukturen mit wenigen Elektronen

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In dieser Arbeit wurde die Magnetisierung von niedrig-dimensionalen Elektronensystemen mit Hilfe eines Cantilever-Magnetometers vermessen. Dazu wurde ein interferometrisches Verfahren zur Detektion der Cantilever-Auslenkung entwickelt, welches simultane Magnetotransport-Messungen und das Einstellen der Ladungsträgerzahl über eine Feldeffektelektrode ermöglicht. Die Magnetisierung ist eine thermodynamische Größe und spiegelt bei tiefen Temperaturen die Grundzustandsenergie der Elektronensysteme wider. Untersucht wurden zweidimensionale Elektronensysteme (2DES) in modulationsdotierten AlGaAs/GaAs-Heterostrukturen und insbesondere selbstorganisiert gewachsene InAs-Quantenpunkte.
Unser neu entwickelter Aufbau erlaubt es uns, an den 2DES simultane Magneto-transport- und Magnetisierungsmessungen sowohl bei variierendem Magnetfeld als auch bei variierender Ladungsträgerdichte durchzuführen. Es zeigt sich, dass bei festem Magnetfeld die Form und Amplitude der de Haas-van Alphen (dHvA) Oszillationen in der Magnetisierung unabhängig von der Ladungsträgerdichte und der Nullfeld-Beweglichkeit der Elektronen ist. Weiterhin wurde die thermodynamische Energielücke am Füllfaktor 1 untersucht. Für ein Magnetfeld von B > 3 T steigt diese linear an. Die Steigung entspricht einem durch Elektron-Elektron-Wechsel-wirkung erhöhten g-Faktor von g* = 3,5.
An den Quantenpunkten wurden die statische Magnetisierung M und die dynamische Magnetisierung dM/dUg bei einer modulierten Gatespannung Ug vermessen. Durch Anlegen einer Gatespannung konnten die Quantenpunkte mit ein bis sechs Elektronen beladen werden. Das aufgrund der sehr geringen Elektronenzahl sehr schwache Signal der Quantenpunkt-Elektronen konnte zuverlässig vom Untergrund der umgebenden Heterostruktur und der Rückelektrode getrennt werden. Um die Magnetisierung des Quantenpunkt-Ensembles theoretisch zu beschreiben wurden auf Grundlage der Störungstheorie Modellrechnungen durchgeführt. Die für das reale System verwendeten Parameter wurden dabei über alternative Messtechniken wie Photolumineszenz-, Raman- und Kapazitäts-Spektroskopie gewonnen. Die theoretischen Ergebnisse stimmen insgesamt gut mit den Messungen überein. Insbesondere konnte mit Hilfe dieses Modells ein Singulett-Triplett-Singulett-Übergang für Quantenpunkte mit sechs Elektronen identifiziert werden. Ein nach dem Modell auftretender Grundzustands-Übergang für vier Elektronen konnte dementgegen nicht beobachtet werden. Als mögliche Ursache hierfür wird die im Modell vernachlässigte Spin-Bahn-Wechselwirkung angeführt.