Kurzfassung
Mit Hilfe der resonanten Raman-Spektroskopie wurden die elementaren Anregungen
von Quantendrähten und Quantenpunkten untersucht. Ausgehend von
einem einseitig modulationsdotierten Einfach-Quantentrog, in dem ein
zweidimensionales Elektronengas realisiert ist, wurden durch holographische
Lithographie und einem anschließenden tief-Mesa Trockenätzprozeß Gitter von
Quantendrähten und Quantenpunkten hergestellt.
An allen lateral strukturierten Proben wurden durch Raman-Streuung in
Abhängigkeit der Energie des eingestrahlten Laserlichtes Ladungsdichte-(CDE),
Spindichte-(SDE) oder Einteilchenanregungen (SPE) beobachtet. Die jeweiligen
Anregungen werden in unterschiedlichen Bereichen der Energie des einfallenden
Lichtes resonant und besitzen unterschiedliche Polarisationsauswahlregeln, so
daß sie unterschieden werden können.
In der Nähe der Bandlücken-Lumineszenz werden die SPE resonant, die in
polarisierten und depolarisierten Spektren beobachtet werden und direkt die
Quantisierungsenergie des abgeschirmten Potentials in der Nähe der
Fermi-Energie wiedergeben. Aufgrund der getrennten Beobachtung von CDE, SDE
und SPE ist es möglich, die Beiträge der direkten Coulombwechselwirkung und der
Austauschwechselwirkung in allen untersuchten Proben zu bestimmen. Es wird
insbesondere ein kleiner, aber endlicher Beitrag der Austausch-Wechselwirkung
zu den Positionen der SDE gefunden.
In Quantendrahtproben ergab sich eine sehr gute Übereinstimmung der
experimentellen Positionen mit denen aus Hartree-RPA Rechnungen.
Im Bereich der 2D-Intersubbandanregungen wurden in den lateral strukturierten
Proben neue Ladungsdichteanregungen gefunden, die qualitativ durch die Kopplung
der lateralen und vertikalen Elektronenbewegung erklärt werden.
Quantendraht- und Quantenpunktproben wurden auch in einem homogenen Magnetfeld
untersucht. In Quantendrahtproben wurden im Kreuzungspunkt der Magnetoplasmonen
mit Vielfachen der Zyklotronresonanz Aufspaltungen beobachtet, die als
Bernstein-Moden bezeichnet werden und Ausdruck der
Elektron-Elektron-Wechselwirkung sind. Die experimentellen Ergebnisse werden
mit Hartree-RPA-Rechnungen verglichen und zeigen eine sehr gute
Übereinstimmung mit der Theorie.
In der Quantenpunktprobe konnte die Dispersion der SDEs verfolgt werden. Sie
werden mit wachsendem Feld gedämpft. Die erste lokalisierte SDE zeigt eine
Aufspaltung in zwei Äste mit positiver bzw. negativer Magnetfelddispersion.
Diese wird qualitativ im Rahmen eines Einteilchenmodells mit einem effektiven
nichtparabolischen Potential erklärt.
Resonant Raman spectroscopy was used to investigate the elementary excitations of quantum wires and quantum dots. Starting from a one-side modulation-doped quantum well, in which a two-dimensional electron gas is realized, arrays of quantum wires and quantum dots were fabricated by holographic lithography and a deep-mesa dry etching process. Depending on the energy of the incident laser photons, charge density (CDE), spin density (SDE), and single particle excitations (SPE) were observed in Raman spectra. Each sort of excitation is resonantly enhanced in distinct regions of laser energy and can be distinguished by polarization selection rules. When the laser is tuned to energies in the vicinity of the fundamental gap, SPEs are resonantly enhanced and observed both in polarized and depolarized spectra. The energetic positions of SPE are interpreted as the quantization energies of the external screened potential. Due to the distinction of CDE, SDE, and SPE it is possible to determine the contributions of direct Coulomb interaction and exchange interactions to the energy renormalizations in quantum wires and dots. A small but finite contribution of the exchange interaction is found. In quantum wires positions of charge density excitations were compared with results of a Hartree-RPA calculation, and a very good agreement was found. In the vicinity of 2D intersubband excitations new excitations of CDE-type were observed in all lateral structured samples. Those excitations are explained qualitatively by the coupling of lateral and vertical electron motion. Quantum wires and dots were also investigated in a homogeneous magnetic field B. In quantum wire samples anticrossings were observed when magnetoplasmons cross multiples of the cyclotron resonance. These modes are known as Bernstein modes, and they reflect the internal electron-electron interaction. The Experimental results are compared with Hartree-RPA-calculations, and a very good agreement between both is achieved. In a quantum dot sample the B-dispersion of SDEs was observed. The SDEs are damped with increasing magnetic field. The first localized SDE shows a splitting into two branches with positive and negative B-dispersion. This is qualitatively explained by a one-particle model with a non-parabolic potential.