Rasterelektrolumineszenzmikroskopie auf Nanostrukturen

Im letzten Jahrzehnt wurden nanostrukturierte Materialien mit großem Interesse erforscht. In den meisten Fällen sind optisch aktive Nanostrukturen in einer Matrix aus anderen Materialien eingebettet. Ein Beispiel dafür sind selbstorganisiert gewachsene InAs Quantenpunkte, die in GaAs/AlGaAs Heterostrukturen eingebettet sind. Das Matrixmaterial und die jeweils eingebetteten Nanostrukturen zeigen jedoch eine gegenseitige Beeinflussung. Das vorgeschlagene Projekt soll die Photoemissionseigenschaften von eingebetteten Nanostrukturen mittels Rasterelektrolumineszenzmikroskopie untersuchen. Auf der Anwendbarkeit der untersuchten nanostrukturierten Materialien für Lichtquellen im nahen Infrarotbereich soll das Hauptaugenmerk liegen. Um die benötigte Ortsauflösung im nm-Bereich zu erreichen wird ein Rasterkraftmikroskop (AFM, engl. atomic force microscope) angewandt um eine laterale Positionierung der (elektrisch leitfähigen) AFM Spitze über den einzelnen eingebetteten Nanostrukturen zu erreichen. Nachdem eine einzelne Nanostruktur adressiert ist, kann über die AFM Spitze ein elektrischer Strom in die Nanostruktur injiziert werden um die elektrischen und Elektrolumineszenzeigenschaften zu untersuchen. Als erstes Projektziel gilt das sichere und effiziente Auffinden von einzelnen InAs Quantenpunkten, welche in epitaktisch gewachsenen GaAs/AlGaAs vergraben sind, und die Untersuchung der optoelektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte mittels lokaler Elektrolumineszenzspektroskopie und Rasterelektro- lumineszenzmikroskopie im nahen Infrarot. Weiters kann ein bereits bestehender Aufbau für lokale AFM basierende Photostromspektroskopie genutzt werden um komplementäre Informationen über Energiezustände und Ladungsträgerlebens-dauern zu gewinnen. Die vorgeschlagene Methode der Rasterelektrolumineszenzmikroskopie ist nicht nur auf die Untersuchung von InAs Quantenpunkten beschränkt. Die Erfahrungen mit InAs Quantenpunkten sollen später bei Untersuchungen von anderen nanostrukturierten Materialien wie Si-Nanodrähten oder nass-chemisch hergestellten Nanokristallen angewendet werden. Hierbei soll wieder das Hauptaugenmerk auf den Möglichkeiten der Anwendbarkeit der besagten Nanostrukturen für Lichtquellen im nahen Infrarot liegen und auch der Einfluss der Matrixmaterialien auf die Photoemissionseigenschaften untersucht werden.

Das Ziel dieses Projektes war die Entwicklung von Methoden für lokale Elektrolumineszenz-Messungen an Halbleiter-Nanostrukturen im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Durch die Verwendung einer leitfähigen Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM) kann Strom in eine Halbleiterprobe lokal injiziert werden, wobei die Ortsauflosung im nm-Bereich liegt. Jedes emittierte Licht sollte unter Verwendung eines konfokalen Mikroskops und zweier Spektrometer für die jeweiligen Wellenlängen nachgewiesen werden. Da aufgrund der kleinen Abmessungen der AFM-Spitze die Fläche der Strominjektion ohnehin sehr klein ist, ist der experimentelle Ansatz mit dem konfokalen Mikroskop sehr vielversprechend und automatisch kompatibel mit der Strominjektion durch das AFM. Der Versuchsaufbau, der auf einem konfokalem "Witec 300" Raman Mikroskop basierte, bot zwei Strahlengänge für Lichtemission von der Oberseite und Rückseite der Probe. Die Empfindlichkeit des Versuchsaufbaus war sehr hoch und erlaubte im Prinzip die Detektion einzelner Photonen. Alle Messungen waren nur für Raumtemperatur ausgelegt, da ein optischer Cryostat nicht in den "Witec"-Setup integriert werden konnte. Das System wurde erfolgreich durch die Erfassung der dreidimensionalen Emissionsmuster eines kommerziellen Halbleiter-Lasers im Fresnel Bereich getestet, wobei die erreichte räumlicher Auflösung sehr beeindruckend war. Für die Elektrolumineszenz Experimente wurden drei verschiedene Probensysteme untersucht: InAs- Quantenpunkte in einer GaAs-Matrix, kolloide PbS Nanokristalle, und gegen Ende des Projekts, organische Leuchtdioden. Alle Proben wurden durch Photostrom-Spektroskopie mit AFM mit leitfähiger Spitze charakterisiert. Um die Auswirkungen der Spitzengeometrie zu untersuchen, wurden zusätzlich Simulationen des Photostroms mit einem zweidimensionalen Poisson-Solver durchgeführt Obwohl die Photostrom - Daten auf allen Proben sehr vielversprechend aussahen, tauchten bei der Elektrolumineszenz auf allen untersuchten Proben schwere experimentelle Probleme auf. Auf den InAs Quantenpunkten war der Quantenwirkungsgrad bei Raumtemperatur offensichtlich zu niedrig für eine nachweisbare Emission, und die kolloid-Nanokristalle degradierten wesentlich zu schnell an Luft. Lediglich die organischen Leuchtdioden hatten ausreichend hohe Emissionsintensitäten in der Elektrolumineszenz. Da diese Proben aber erst am Ende des Projekts zur Verfügung standen, war es leider nicht mehr möglich, auf diesen Proben im Rahmen des Projekts Elektrolumineszenz mit unserer AFM Plattform zu zeigen.