Lasing and ion beam doping of semiconductor nanowires

Geburt, Sebastian GND

Semiconductor nanowires exhibit extraordinary optical properties like highly localized light emission, efficient waveguiding and light amplification. Even the stimulation of laser oscillations can be achieved at optical pumping, making nanowires promising for optoelectronic applications. For successful integration into future devices, three major key challenges have to be faced: 1) the understanding of the fundamental properties, 2) the modification of the emission characteristics and 3) the investigation of the efficiency-limiting factors. All key challenges are addressed in this thesis: 1) The fundamental properties of CdS nanowire have been investigated to uncover the size limits for photonic nanowire lasers. Laser oscillations were observed at room temperature and the emission characteristics were correlated to the morphology, which allowed the determination of a minimum diameter and length necessary for lasing. 2) The emission characteristics of ZnO nanowires have been successfully modified by ion beam doping with Co. The structural investigations revealed a good recovery of the ion induced damage in the crystal lattice. Optical activation of the implanted Co ions was achieved and an intense intra-3d-emission confirmed successful modification. 3) The temporal decay of excited luminescence centers strongly depends on the interplay of luminescent ions and defects, thus offering an approach to investigate the efficiency-limiting processes. Mn implanted ZnS nanowires were investigated, as the temporal decay of the incorporated Mn ions can be described by a Förster energy transfer model modified for nanostructures. The defect concentration was varied systematically by several approaches and the model could successfully fit the transients in all cases. The emission properties of Tb implanted ZnS nanowires were investigated and the temporal decay of the intra-4f-emission could also be fitted by the model, proving its accuracy for an additional element.

Halbleiter-Nanodrähte besitzen außergewöhnliche Eigenschaften wie hochlokalisierte Lichtemission, exzellente Wellenleitung und Lichtverstärkung. Sogar Laseroszillationen können unter optischer Anregung stimuliert werden, wodurch Nanodrähte vielversprechend für optoelektronische Anwendungen sind. Für eine zukünftige Integration als Bauteile sind jedoch drei Herausforderungen zu überwinden: 1) Verständnis der fundamentalen Eigenschaften, 2) Modifikation der Emissionscharakteristik und 3) Untersuchung der Effizienz-limitierenden Faktoren. Alle Herausforderungen werden in dieser Arbeit angesprochen: 1) Die fundamentalen Eigenschaften anhand von CdS Nanodrähten untersucht. Laseroszillationen konnten bei Raumtemperatur beobachtet werden. Durch die Korrelation der Emissionscharakteristik mit der Morphologie konnten das Minimum des Durchmesser und der Länge für photonische Nanolaser bestimmt werden. 2) Die Emissionseigenschaften von ZnO Nanodrähten wurden gezielt über Ionenstrahl-Dotierung mit Co modifiziert. Strukturelle Untersuchungen zeigten ein gutes Ausheilen des strahleninduzierten Schaden im Kristallgitter. Die eingebrachten Co-Ionen konnten erfolgreich optisch aktiviert werden und zeigen eine intensive intra-3d-Emission. 3) Das zeitliche Abklingen der angeregten Leuchtzentren hängt stark von der Interaktion dieser mit Defekten ab, so dass darüber die Untersuchung der Effizienz-limitierenden Faktoren ermöglicht wird. Das zeitliche Abklingen von Mn in ZnS Nanodrähten wurde untersucht und die Transienten können mit einem modifizierten Förster-Energietransfer-Modell beschrieben werden. Die Defektkonzentration wurde systematisch durch mehrere Ansätze variiert. Das Modell konnte die Messdaten in allen Fällen gut wiedergeben. Die Emissionseigenschaften Tb implantierter ZnS Nanodrähte wurden charakterisiert und das zeitliche Abklingen der intra-4f-Emission kann ebenfalls mithilfe des Modells beschrieben werden, wodurch dieses für ein weiteres Element bestätigt wird.

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Geburt, Sebastian: Lasing and ion beam doping of semiconductor nanowires. 2013.

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