Kurzfassung
In dieser Arbeit werden experimentelle Ergebnisse von Veränderungen der Photolumineszenz von Indiumgalliumarsenid (InGaAs) Quantenpunkten in Galliumarsenid (GaAs) vorgestellt, die durch mechanische Verspannungen verursacht werden. Um den Verspannungszustand im Experiment zu kontrollieren, wurden die Quantenpunkte in Lamellen eingebettet, welche mechanisch mit einer piezogesteuerten Glasnadel in situ verbogen werden können.
Im ersten Teil der Arbeit werden natürliche Quantenpunkte untersucht, gemeint sind schwache dreidimensionale Einschlusspotenziale in der Benetzungsschicht. Durch den schwachen Einschluss ist die Photolumineszenz der natürlichen Quantenpunkte energetisch nicht von der Photolumineszenz der Benetzungsschicht zu unterscheiden. Wir zeigen, dass die mechanische Verspannung der natürlichen Quantenpunkte zu einer Trennung der Photolumineszenz der Quantenpunkte und der Benetzungsschicht führen kann, die mehrere meV beträgt. Wir erklären diese Beobachtungen mit Hilfe von mikromechanischen Simulationen zusammen mit analytischen Modellen, welche die verspannungsinduzierte Bandlückenänderung und den eingeengten Stark-Effekt berücksichtigen. Der Stark-Effekt wird durch piezoelektrische Felder, die durch Scherungen des Kristalls entstehen, hervorgerufen.
Im zweiten Teil untersuchen wir die Feinstrukturaufspaltung von InGaAs-Quantenpunkten, welche im Stranski-Krastanow-Wachstum entstanden sind. Wir zeigen, dass die Verspannung nicht nur eine Veränderung der Emissionenergie des Quantenpunkts bewirkt, sondern auch verwendet werden kann, um die Größe und die Polarisationsachse der Feinstrukturaufspaltung zu beeinflussen. Die Ursache dafür ist eine verspannungsinduzierte Verformung des einschließenden Potenzials.
This thesis presents experimental results of strain-induced changes in the photoluminescence of indium gallium arsenide (InGaAs) quantum dots in a gallium arsenide (GaAs) matrix. To experimentally control their strain state, the quantum dots are embedded in micrometer-sized cantilevers which can be in situ bend by a piezo-driven glass needle.
In the first part we investigate natural InGaAs quantum dots, i.e., shallow confinements in all three directions for charges in the wetting layer. Due to their weak confinement the photoluminescence of natural InGaAs quantum dots is energetically indistinguishable from the band-gap photoluminescence of the wetting layer in the unstrained state. We demonstrate that the application of strain can separate the natural quantum dot emission energy from the wetting-layer emission by several meV. We explain this observation by means of micro-mechanical simulations combined with analytical models considering strain-induced band-gap shifts as well as the quantum-confined Stark effect caused by shear-strain-induced piezoelectric fields.
In the second part we investigate the fine-structure splitting of InGaAs quantum dots grown in the Stranski-Krastanow mode. We show that strain causes not only a change of the emission energy of the quantum dot transitions but also of both the size and the polarization axis of the fine-structure splitting. This arises from a strain-induced deformation of the confining potential.