Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Mikrophotolumineszenzuntersuchungen an spontan gebildeten InAs-Quantenpunkten sowie natürlichen Quantenpunkten unter Änderung ihres Verspannungzustandes durchgeführt. Das Verständnis des Zusammenhangs von Verspannungszustand und Emissionsspektrum eines einzelnen Quantenpunkts ist von elementarer Bedeutung, experimentell bisher jedoch wenig untersucht. Ein Aspekt dieser Arbeit bestand in der Entwicklung einer Herstellungsmethode für Proben mit ausreichend niedriger Quantenpunktdichte, um Spektroskopie an einzelnen, verspannbaren Quantenpunkten im Fokus eines anregenden Lasers zu ermöglichen. Die Quantenpunkte wurden entweder ober- oder unterhalb der neutralen Achse in dünne Lamellen (Cantilever) eingebettet. Zudem wurde ein experimenteller Aufbau zur Durchführung entsprechender Photolumineszenzuntersuchungen unter Tieftemperaturbedingungen aufgebaut. Für In-situ-Verspannungen wurde der verwendete Durchflusskryostat um ein Segment erweitert, das Piezoelemente zur Steuerung einer kleinen Glasnadel enthält. Diese wurde zur Verbiegung der Cantilever und somit zur Verspannung der InAs-Quantenpunkte verwendet.
Es wurde eine Methode zur Ermittlung des in den vorgestellten Experimenten erzeugten Verspannungsprofils in den untersuchten Strukturen entwickelt. Hierfür sind Simulationen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode in "COMSOL Multiphysics" in Kombination mit einem von C. G. Van de Walle eingeführten Modell durchgeführt worden. So wurde die räumliche Verteilung der verspannungsinduzierten Veränderungen der InAs-Bandlücke berechnet. Vergleiche mit experimentell gemessenen energetischen Verschiebungen der Photolumineszenzemission der InAs-Benetzungsschicht zeigten gute Übereinstimmungen und erlaubten so Rückschlüsse auf die erzeugte Verspannung. Es wurden reversibel sowohl Blau- als auch Rotverschiebungen der Emission erreicht.
Photolumineszenzexperimente an spontan gebildeten InAs-Quantenpunkten unter kompressiver externer Verspannung zeigten Blauverschiebungen ihrer Emission. Gleichzeitig traten starke Abnahmen der Emissionsintensität auf. Tensil verspannte Quantenpunkte zeigten gleichzeitig Rotverschiebungen ihrer Photolumineszenz und signifikante Intensitätsanstiege. Sämtliche beobachteten Effekte waren reversibel. Eine mögliche Erklärung der Intensitätsänderungen liegt in verspannungsinduzierten piezoelektrischen Feldern.
Erstmals untersucht wurde die Photolumineszenz natürlicher InAs-Quantenpunkte unter externer Verspannung. Diese stellen nulldimensionale Einschlüsse von Ladungsträgern in den Dickefluktuationen der InAs-Benetzungsschicht dar. Natürliche InAs-Quantenpunkte sind erst seit kurzem bekannt. Ihre Emission konnte durch von Scherverspannungen erzeugte piezoelektrische Felder energetisch stark verschoben werden. Es wurden Rotverschiebungen von dE > 30 meV einzelner Übergänge in natürlichen InAs-Quantenpunkten beobachtet. Mit steigender Verspannung verringerte sich die Zahl der sichtbaren, verschobenen Übergänge unter gleichzeitiger Zunahme ihrer Intensität. Sowohl unter kompressiver als auch unter tensiler Verspannung wurden ausschließlich Rotverschiebungen beobachtet.
In this work single self-assembled InAs quantum dots and natural InAs quantum dots in experiments under external stress are investigated by means of microphotoluminescence. Knowledge of the interplay between the strain state and the emission spectrum of a single quantum dot is of fundamental importance. However, so far there have been only a few experimental investigations. A central aspect of this work has been the development of a method to fabricate samples with densities low enough to allow the spectroscopy of a single stress-tunable quantum dot within the focus of a laser beam. These quantum dots have been embedded into thin lamellae such as cantilevers in growth direction both above and below the neutral axis. An experimental setup has been constructed to perform the photoluminescence measurements at low temperatures. Furthermore, the utilized continuous-flow helium cryostat has been improved by a device that enables in situ stress application to the cantilevers. It consists of a tiny, piezo-driven glass needle that is applied to deform them. Thus, external stress is induced into the InAs quantum dots embedded in the cantilevers.
A method has been developed to determine the achieved strain profile in the experiments. Simulations with the finite-element method were performed with "COMSOL Multiphysics". This method was combined with a model introduced by C. G. Van de Walle. The simulations were used to evaluate the spatial distribution of the stress induced changes of the InAs band gap. Comparisons with experimentally observed energy shifts of the photoluminescence of an InAs wetting layer exhibited good agreements. Thus, conclusions about the induced stress could be drawn. Both reversible red and reversible blue shifts of the emission could be observed.
Photoluminescence experiments on self-assembled InAs quantum dots under external compressive stress showed blue shifts of their emission. Simultaneously, strong decreases of the emission intensity could be observed. Under tensile stress quantum dots exhibited red shifts of their photoluminescence. Those were accompanied by significant increases of the emission intensity. All of these effects were reversible. A possible reason for the observed intensity changes are stress induced piezoelectric fields.
For the first time the photoluminescence of natural InAs quantum dots under external stress has been investigated. These are zero-dimensional confinements of charge carriers in thickness fluctuations of an InAs wetting layer. Natural InAs quantum dots have only recently been observed. Their emission could be strongly shifted in experiments under external stress. This is attributed to piezoelectric fields caused by the induced shear stress. Red shifts of particular transitions in natural InAs quantum dots of dE > 30 meV were obtained. With increasing stress the number of observed shifting transitions decreased. Simultaneously, intensity increases of those transitions were found. Only red shifts could be observed under both compressive and tensile external stress.