In diesem Projekt wird die Initialisierung, Speicherung, Manipulation und Detektion von Ladungsträger-Spinzuständen in Halbleiter-Quantenpunkten untersucht. Mittel- und langfristig finden sich potentielle Anwendungen in der Spinelektronik bzw. der Quanteninformationsverarbeitung.

Die Halbleiter-Quantenpunkte befinden sich in Halbleiter-Heterostrukturen, in denen die Spinpolarisation mittels eines verdünnten magnetischen Halbleiters (ZnMnSe) erfolgt. Für einzelne Quantenpunkte innerhalb von Spin-Leuchtdioden konnten wir eine nahezu perfekte Initialisierungseffizienz nachweisen. Gegenwärtig durchgeführte Experimente, bei denen die elektrische Injektion gepulst stattfindet und die Detektion zeitaufgelöst durchgeführt wird, liefern Erkenntnisse über Spinstreu- und Injektionsprozesse. Darüber hinaus entwickeln wir Spin-Injektions-Transistoren, mit denen eine längere Spinspeicherung und ein elektrisch kontrollierter Spininjektions- und -auslesprozess erzielt werden soll. Schließlich umfasst unsere aktuelle Arbeit neuartige elektrische und optische Prozeduren zur Spinmanipulation.

Diese Arbeit wird von der DFG und dem Land Baden-Württemberg im Rahmen des CFN-Projekts A2 gefördert.

Ausgewählte Literatur:  Hetterich 2009, Loeffler 2007

Im Zusammenhang mit zukünftigen Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung wird die Speicherung von spinpolarisierten Elektronen in Quantenpunkten untersucht. Um aus den so definierten Quantenbits ein Quantengatter zu bauen, ist eine kontrollierbare Kopplung zwischen den (räumlich getrennten) Quantenpunkten erforderlich. Diese Kopplung kann über das Lichtfeld eines Mikroresonators realisiert werden.

Vor diesem Hintergrund werden als Teil des CFN-Projekts A2 zwei verschiedene Mikroresonatorformen erforscht: säulenförmige Braggresonatoren und neuartige pyramidale Resonatoren.

Beide basieren auf dem Materialsystem GaAs/AlAs und beinhalten InAs-Quantenpunkte, deren Ankopplung an die optischen Moden im Mikroresonator mittels Mikrophotolumineszenzmessungen detektiert wird. Besonders vorteilhaft ist für diese Resonatortypen, dass sie sich mit entsprechenden Methoden auch in gekoppelter Form herstellen lassen und eine optische Kopplung z.B. durch ortsaufgelöste Messungen nachgewiesen werden kann.

Ausgewählte Literatur zu Pyramiden:  Weber 2007, Karl 2008
Ausgewählte Literatur zu Säulen: Karl 2007, Karl 2009

Zinkoxid (ZnO) ist ein direkter Halbleiter, der unter entsprechender Anregung Licht im nahen UV-Bereich emittieren kann. Dadurch eignet es sich als UV-Laseremitter oder als Quelle um Licht in weißen Leuchtdioden zu erzeugen. Eine Besonderheit von ZnO liegt darin, dass von diesem Material die verschiedensten Arten von Nanostrukturen realisiert werden können. In unserer Arbeitsgruppe werden z.B. geordnete Felder von Nanosäulen durch selbstorganisiertes Wachstum auf strukturierten Oberflächen hergestellt.

Ein Fokus unserer optischen Experimente liegt in der Untersuchung von ZnO-Nanostrukturen als Laseremitter. Hierbei sind einerseits die genannten ZnO-Nanosäulen von Interesse, die durch ihre Geometrie eine intrinsische Resonatorstruktur darstellen und daher als stabile Laseremitter auf der Nanometerskala dienen.

Andererseits eignen sich aber auch nanokristalline ZnO-Pulvern als Laseremitter. Das Pulver wirkt hierbei als verstärkendes Medium und führt gleichzeitig durch starke Streuung zu einer Rückkoplung des Lichts. Man nennt dieses Phänomen „Random-Lasing“, wegen der Zufälligkeit der Lichtwege durch das ungeordnete Material.

Die Forschung zur stimulierten Emission von ZnO-Nanostrukturen wird von der DFG im Rahmen des Normalverfahrens gefördert.

Ausgewählte Literatur: Fallert 2009a, Fallert 2009b, Fallert 2008, Zhou 2008, Zhou 2007

Hochempfindliche und kostengünstige Sensoren zur markerfreien Detektion von Biomolekülen sind von enormem Interesse in den Biowissenschaften und der Medizin.

Mit optischen Mikroresonatoren, also Strukturen mit einigen Mikrometern Ausdehnung in denen Licht bestimmter Wellenlänge eingeschlossen werden kann, sind solche Detektoren realisierbar. Hierbei haben sich Mikrotoroide, in denen sich sogenannte Flüster-Galerie-Moden ausbilden, als vielsprechendes Konzept herausgestellt. In unserer Arbeitgruppe werden durch ein mehrstufiges Ätzverfahren aus einem Silizium-Siliziumdioxid-Substrat zunächst Scheibenresonatoren herstellt. Für die optischen Eigenschaften und die damit verbundene Detektionsempfindlichkeit ist eine glatte Oberfläche der Resonatoren von entscheidender Bedeutung. Deshalb werden diese Strukturen mit einem Laser angeschmolzen. Die nun entstandenen Mikrotoroide können einzeln mit selektiv bindenden Molekülen funktionalisiert werden. Bindet nun ein Typ von Molekülen aus dem Analyt an den Resonator, kann dies durch Verschiebung der Resonanzfrequenzen detektiert werden.
In weiteren Schritten werden optische Komponenten und Mikrofluidikelemente hinzugefügt und zu einem Lab-on-a-Chip zur parallelen Detektion unterschiedlicher Biomoleküle integriert.

Diese Forschungsarbeiten werden im Rahmen des CFN-Projekts A5.4 finanziert.

Hybridsolarzellen bestehen aus einer organischen Komponente und einem anorganischem Halbleiter. Sie haben das Potential bei niedrigen Herstellungskosten effiziente Energiewandlung zu realisieren. Als Halbleiter in den Solarzellen wird in diesem Projekt Zinkoxid (ZnO) in verschiedenster Morphologie eingesetzt: von Schichten nanokristalliner Partikel bis zu Feldern aus geordneten Säulen mit großem Aspektverhältnis. Zwei verschiedene Konzepte werden hierbei verfolgt:  

Das erste Konzept sind so genannte Farbstoffsolarzellen. In diesen wird zur Photosensibilisierung des Zinkoxids ein Farbstoff aus einer entsprechenden Lösung auf die Oberfläche des Halbleiters abgeschieden. Hierbei kommen auch neuartige Farbstoffe, wie zum Beispiel die im Projekt "Energietransfer in Lichtsammelkomplexen"  untersuchten biomimetische, selbsorganisierende Chromophore (siehe Projekt C3.5 des CFN). Neben der Wahl des Farbstoffes ist die Beschaffenheit der Halbleiteroberfläche wesentlich. Ziel ist die Optimierung der ZnO - Morphologie hinsichtlich effizienter photovoltaischer Energieumwandlung.

In dem zweiten Konzept der Polymer-basierten Solarzellen besteht die aktive Schicht aus einer Mischung aus absorbierenden Akzeptor- und Donator – Polymer. Diese entmischen sich zu einem gewissen Grad und es bilden sich  Domänen des jeweiligen Polymers. Allein an den Grenzflächen dieser Domänen können Exzitonen dissozieren und somit einen Photostrom erzeugen. Die Morphologie der Domänen sollte jedoch auch einen Abfluss der Ladungsträger zu den jeweiligen Elektroden ermöglichen (durchgehende Domänen). Hierbei kann das Einbringen einer geeigneten nanostrukturierten ZnO-Schicht in die aktive Schicht die Morphologie der Polymerdomänen beeinflussen und den Abtransport der Elektronen verbessern (CFN F1.3)     

Pflanzen und manche Bakterien gewinnen die lebensnotwendige Energie durch Photosynthese in Tetrapyrrolen wie zum Beispiel Chlorophyll. Der erste Schritt dabei ist die Absorption von Photonen durch antennenartige Molekülenaggregate (Chlorosom). Durch extrem schnelle Energietransfer-Prozesse wird die elektronische Anregung zu den Photosynthese-Reaktionszentren weitergeleitet. Dort wird durch Ladungstrennung aus ADP (Adenin-Diphosphat) ATP (Adenin-Triphosphat), der Energiespeicher von Pflanzen und Tieren, erzeugt. Für Photovoltaik-Anwendungen ist vor allem der hohe Wirkungsgrad interessant. Heute können solche komplexen Makromoleküle noch nicht direkt synthetisiert werden. Allerdings können durch Selbstorganisation ähnliche Antennensysteme hergestellt werden und somit eine Alternative zu den sehr kostenintensiven heutigen Solarzellen darstellen. Innerhalb des CFN (Projekt C3.5) werden die sich selbstorganisierenden Chromophore hergestellt und in unserer Gruppe durch zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie untersucht.

Ausgewählte Literatur: Hauschild 2004