Asynchrones optisches Abtasten : eine neue Methode für die Pikosekundenultraschallspektroskopie

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Datum
2009
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Hudert, Florian
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Asynchronous optical sampling,a new method for picosecond ultrasound spectroscopy
Publikationstyp
Dissertation
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Published
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Zusammenfassung

This work presentsthe application of a newly developed technique called asynchronous optical sampling, which can be used to investigate coherent phonon dynamics in solids. The experiental technique is described in detail as well as a variety of results on different solid state systems.
Experimental results for simple bulk semiconductor materials show the possibilies to investigate basic parameters like the sound velocity and acoustic dispersion. It is also shown, that this technique allows for an accurate non-invasive measurement of doping profiles in bulk semiconductor samples.
In addition to these simple examples, experimental results for GaAs/AlAs and InAs/GaSb semiconductor superlattices prove the full potential of this technique when applied to more complex semiconductor structures. The results can be used to describe technologically important paramers such as film thicknesses and boundary layer qualities.
Finally measurements on free standing Si membranes show resonantly excited thickness oscillations of the membrane up the 19th harmonic of the ground mode.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit wurde die neu entwickelte ASOPS-Technologie zum ersten Mal zur Untersuchung kohärenter Phonondynamik in Festkörpern verwendet. Vor allem die Vielzahl der untersuchten Probensysteme und Effekte offenbarte das enorme Potential dieser Messmethode.
Zunächst wurde an einem einfachen Volumenhalbleiter dargestellt, wie diese Methode zur Untersuchung von grundlegenden akustischen Eigenschaften wie der Dispersion oder der Schallgeschwindigkeit eingesetzt werden kann. Danach konnte zum ersten Mal anhand von dotierten GaAs-Proben mit zwei unterschiedlichen Kristallorientierungen gezeigt werden, dass es möglich ist, Dotierungsprofile über die Analyse der Phonondynamik kontaktlos zu charakterisieren. In diesen Proben wurde die Dicke einer 1.2 µm dicken, stark n-dotierten Deckschicht mit einer Genauigkeit von einigen Nanometern bestimmt.
Es wurden außerdem Untersuchungen an drei verschiedenen Übergittermaterialsystemen durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit einfachen theoretischen Modellen verglichen um Materialparameter wie Periodenlängen, Grenzflächenqualität und Gesamtschichtdicken zu bestimmen. Anhand des GaS/AlAs-Systems wurden einige grundlegende Eigenschaften dieses Materialsystems vorgestellt und auch das große Potential der Zwei-Farben Spektroskopie zur Erforschung der Generations- und Detektionsmechanismen gezeigt. Im InAs/GaSb-System konnte der Einfluss der Grenzflächenzusammensetzung auf die akustischen Eigenschaften im Prinzip nachgewiesen werden. Für das Si/Mo-System konnte an einem technisch relevanten Beispiel untermauert werden, dass sich diese Technologie für eine Anwendung in der industriellen Charakterisierung bestimmter Bauelemente anbietet. Mit einer hohen lateralen Auflösung konnte ein Wafer auf die Homogeneität im Bezug auf die Schichtdicken untersucht werden. Des Weiteren wurden vorläufge Ergebnisse an einer Phononkavität auf der Basis von Übergitterstrukturen erzielt, auf denen in Zukunft aufgebaut werden kann.
Einige der interessantesten Resultate dieser Arbeit lieferten die Messungen an frei stehenden Si-Membranen. Zum ersten Mal wurden diskrete Phononmoden bis zur 19. Ordnung in frei stehenden Membranen zeitaufgelöst beobachtet, wobei Bewegungen der Oberfläche in der Größenordnung von 100 fm detektiert wurden. Der Vergleich der experimentellen Daten mit einem detaillierten theoretischen Modell für die Generation und auch die Detektion führte zu einer sehr guten Übereinstimmung. Damit konnte ein fundiertes Verständnis der Generations- und Detektionsmechanismen erreicht werden. Zukünftige Arbeiten an diesem System werden weitere Erkenntnisse im Bezug auf die verschiedenen fundamentalen Beiträge zur Generation und zur Detektion ermöglichen.
Die hohe Repetitionsrate des Lasersystems in Kombination mit der langen Lebensdauer der Phononmoden ermöglichte ihre resonante Anregung. Durch die Variation der Repetitionsraten der Laser konnte eine resonante Verstärkung der Phononmoden um einen Faktor von etwa 15 beobachtet werden, wenn die Repetitionsrate mit einer ganzzahligen Subharmonischen der Phononfrequenz übereinstimmt. Für diesen mechanischen Resonator wurde bei Raumtemperatur ein Gütefaktor in der Größenordnung von 550 bestimmt.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich diese neue Messmethode sehr gut bewährt hat und ein großes Potential für die Zukunft aufweist. Die extrem kurzen Messzeiten und die einfache Handhabung ermöglichen Anwendungen in der industriellen Charakterisierung von Bauelementen, während die hohe Empfindlichkeit und die einfache Realisierung von Zwei-Farben-Experimenten interessante Möglichkeiten für die Grundlagenforschung bieten. Des Weiteren erlaubt die hohe Repetitionsrate des Systems ein neues Maß an direkter Kontrolle über Phononen im GHz-Bereich, wie die resonante Anregung in den frei stehenden Membranen gezeigt hat.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Ultrakurzzeit-Spektroskopie, ultrafast spectroscopy, acoustic phonon dynamics, superlattices, membranes
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ISO 690HUDERT, Florian, 2009. Asynchrones optisches Abtasten : eine neue Methode für die Pikosekundenultraschallspektroskopie [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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October 28, 2009
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