Elektronenspin-Physik in Silizium-Germanium Quantenpunkten

Meine frühere Arbeit konzentrierte sich auf die Spineigenschaften, im Speziellen auf die Spin-Bahn Wechselwirkung (SOI) von Elektronen in niedrigdimensionalen SiGe Strukturen. Si ist das wichtigste Material in der konventionellen Halbleitertechnologie, und hat auch vielversprechende Eigenschaften hinsichtlich zukünftiger Anwendungen im Bereich der Spin-Elektronik (Spintronic) und des Quantencomputers. In Si ist die SOI schwach verglichen mit anderen Halbeitermaterialien. Die Eigenschaften von Si/SiGe Heterostrukturen, die mittels Molekularstrahlepitaxie auf Si-Substraten gewachsen worden sind, wurden in Elektronenspinresonanz (ESR) Experimenten erforscht. Die Schichtfolge dieser Strukturen ist so gewählt, dass sich ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) bildet, in dem die Bewegung der Elektronen auf eine Ebene im Si Quantentopf beschränkt ist. In diesen Strukturen ist die Beweglichkeit der Elektronen generell sehr hoch. Die durch die Schichtfolge hervorgerufene Strukturasymmetrie des Quantentopfs verändert die auf die 2D Elektronen wirkende SOI dramatisch und hat einen starken Einfluss auf das ESR-Signal. Speziell die ESR- Linienbreite und der g-Faktor der Leitungselektronen hängen stark von der relativen Ausrichtung des externen Magnetfeldes und der 2DEG-Ebene ab. Dieser sogenannte Bychkov-Rashba (BR) Effekt hängt von der Geometrie der Heterostruktur und vom Impuls der Elektronen ab. Die Spinrelaxationszeiten in diesen Strukturen sind in der Größenordnung von Mikrosekunden und durch den BR-Effekt limitiert. Quantenpunktsysteme sind vielversprechende Kandidaten für auf Elektronenspin basierende Quantencomputer, da die Spins der Elektronen im Quantenpunkt weitgehend von ihrer Umgebung isoliert sind. Die Spinrelaxationszeiten sind wesentlich länger als in 2D-Systemen, da die von der SOI herrührenden Relaxationsmechanismen wirkungslos sind. Andererseits ist die von der Hyperfeinwechselwirkung verursachte Spinrelaxation stärker als im 2D-Fall. Ich plane in diesem Projekt die Spineigenschaften, im Speziellen die Spinrelaxationsmechanismen der Leitungselektronen in großen Quantenpunktsystemen zu erforschen. Dabei handelt es sich um Quantenpunkte, die aus Si/SiGe Heterostrukturen hergestellt sind. Es gibt mehrere Methoden zur Herstellung von Quantenpunktsystemen. Einerseits werden Quantenpunkte mittels Elektronenstrahl- oder Nanoimprintlithographie mit darauffolgendem Ätzen definiert. Auf diese Weise bleiben nur Säulen von dem ursprünglichen 2DEG übrig, was die Bewegung der Elektronen in allen drei Raumrichtungen beschränkt. Diese geätzten Quantenpunkte werden weiters mit elektrostatischen Gate-Kontakten versehen, wodurch die Elektronenzahl im Quantenpunkt eingestellt werden kann. Andererseits werden großflächige Gate-Kontakte auf 2DEG-Systemen aufgebracht, die dann mittels Elektronenstrahl- oder Nanoimprintlithographie und darauffolgendem Ätzen strukturiert werden. Dadurch entstehen Öffnungen im Gate. Wenn nun eine negative Spannung an das Gate angelegt wird, so verarmt das darunterliegende Elektronengas, wodurch wiederum Quantenpunkte entstehen. In solchen Strukturen kann die Stärke des Potentials (und somit die Größe des Quantenpunktes) direkt durch die angelegte Spannung eingestellt werden. Auf diese Weise können auch asymmetrische Quantenpunkte hergestellt werden, in denen auch die Kopplung der Elektronen untereinander innerhalb des Quantenpunktes eingestellt werden kann. Diese Strukturen werden mittels ESR untersucht, und zwar bei verschiedenen Temperaturen (Minimum 300 mK). Es hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass ESR eine vielseitige und empfindliche Methode zur Untersuchung der Spineigenschaften niedrigdimensionaler SiGe Strukturen ist. Die Resultate dieser Arbeit - die am "Department of Electrical Engineering" der Universität Princeton durchgeführt wird - werden zu einem besseren Verständnis der magnetischen Eigenschaften und der Spinrelaxationsmechanismen in SiGe Quantenpunktstrukturen führen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden bei der Suche nach Materialsystemen und Strukturen helfen, die zur Realisierung spintronischer Bauelemente geeignet sind, vielleicht auch in Hinblick auf den Bau eines Quantencomputers.