ZnO-Nanosäulen als Laseremitter

Fur das Halbleitermaterial ZnO existieren einfache Wachstumstechniken, um in einem selbstorganisierten Prozess eine Vielzahl von Nanostrukturen zu erzeugen. In dieser Arbeit wird eine dieser Nanostrukturen, ZnO-Nanosaulen, auf ihre Eignung als Laseremitter hin untersucht. In zeitaufgelosten Photolumineszenzmessungen einzelner ZnO-Nanosaulen stellt sich heraus, dass ZnO-Nanosäulen in ihren Materialeigenschaften ZnO-Epitaxieschichten hinsichtlich Defektdichte und Kristallinität überlegen sind. Unter hoher optischer Anregung zeigt sich, dass Nanosaulen als Laser fungieren können, wobei die Saulen sowohl die Rolle des aktiven Mediums als auch die des Resonators ubernehmen. Das Schwellwertverhalten und die zeitliche Dynamik der Laseremission einzelner Saulen wird experimentell sowie theoretisch untersucht. Die Resonatoreigenschaften von Nanosaulen werden im Rahmen verschiedener numerischer Modelle analysiert. Um Laseremission zu erzielen ist aufgrund der geringen Gute der Nanoresonatoren eine hohe Materialverstärkung notig. In Hinblick darauf wird untersucht, ob exzitonische Verstärkungsprozesse bei Raumtemperatur eine Rolle spielen. Dazu wird die Verbreiterung der exzitonischen Lumineszenz durch die Kopplung an Phononen experimentell bestimmt. Aufgrund des starken Einschlusses in lateraler Richtung sind ZnO-Nanosaulen gute Wellenleiter, was die Laseremission maßgeblich beeinflusst. Um die Wellenleitereigenschaften von Nanosaulen zu beurteilen, werden die gefuhrten Moden eines hexagonalen Wellenleiters aus ZnO numerisch berechnet. Der Einfluss dieser Wellenleiterstruktur auf die Photolumineszenz zeigt sich nicht nur in der stimulierten Emission, sondern auch in einer Unterdruckung der Emission aufgrund inelastischer Exziton-Exziton-Streuung in dunnen Nanosäulen. Neben der Intensitätsverteilung der Wellenleitermoden und dem Uberlapp mit dem Verstarkungsmedium wird auch die modale Verstärkung berechnet. Auf dieser Grundlage wird die fur Laseremission optimale Geometrie der Nanosäulen diskutiert.