Relaxations- und Transportdynamik von Exzitonen in Halbleiternanostrukturen

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Mit Hilfe eines neu entwickelten, auf einer Immersionslinse beruhenden Aufbaus zur orts-und zeitaufgelösten Photolumineszenz (PL)-Spektroskopie wurde mit einer Auflösung von ~ 250 nm und 5 ps die räumliche Verteilung der PL in ZnSe-Quantenfilmen gemessen. Dabei wurden einige interessante, neue Ergebnisse gewonnen: Der Transport ist in einer ersten Phase von heißen Exzitonen dominiert. Diese Phase dauert 50 ps bis einige 100 ps. In dieser Zeit entspricht das räumliche Profil der PL nicht dem der gesamten Exzitonendichte. Erst danach kann der Transport mit der klassischen Diffusionsgleichung beschrieben werden. Unter quasi-resonanter Anregung entspricht die Verteilung der PL der der gesamten Exzitonendichte. In den ersten 50 ps nach optischer Anregung tritt eine räumliche Oszillation der Exzitonenverteilung auf. Dieses atypische Verhalten, in Veröffentlichungen als „Exciton Breathing“ bezeichnet wurde mit einer Monte Carlo-Simulation reproduziert. Daraus konnte die Oszillation mit dem Verlust an Kohärenz der Exzitonenwellenfunktion verknüpft werden. Es konnten zum ersten Mal gleichzeitig die Kohärenzlänge und Kohärenzzeit der Exzitonenwellenfunktion ermittelt werden. Die Oszillation verschwindet wegen Zunahme der Absorption akustischer Phononen bei 20 K. In Systemen mit starker Lokalisierung kann die Ausbreitung der Exzitonenverteilung innerhalb der Kohärenzzeit gestoppt werden. Bei GaAs-Filmen ist die Kopplung an optische Phononen erschwert und es findet keine Oszillation statt. Eine mögliche Erklärung ist, dass Elektron und Loch separat relaxieren und erst vor der Rekombination ein Exziton bilden.