Lumineszenzdynamik und stimulierte Emission von ZnO Halbleiterstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im letzten Jahrzehnt gab es enorme Forschungsanstrengungen vieler Gruppen weltweit das Material ZnO in optoelektronische Anwendungen zu bringen. Gegenstand dieses Projektes war es, ein grundlegendes Verständnis der optischen Eigenschaften von ZnO-Nano- und Mikrostrukturen zu erreichen. Hierbei standen vor allem die Lumineszenzeigenschaften als Basis für Leucht- und Laserdioden aus diesem Material im Zentrum der Untersuchungen. Die Materialbasis unserer Experimente bestand u.a. aus ZnO-Nanosäulen, die mit einem einfachen Gastransportverfahren hergestellt wurden. Die Tendenz von ZnO auf Grund seiner Kristallstruktur (Wurtzit) beim Wachstum hexagonale Säulen auszubilden wurde hierbei genutzt um wohlgeordnete periodische Anordnungen von ZnO-Nanosäulen herzustellen. Diese Säulen haben ein sehr hohe Kristallinität und hervorragende optische Qualität. Aber auch nanokristalline Pulver aus ZnO, die in der industriellen Großfertigung von Reifen, Beton oder Futterstoffen eingestetz werden, haben höchst interessante optische Eigenschaften. In ihnen wurde das auch theoretisch hoch-aktuelle Phänomen des Zufallslasers untersucht. Neben allgemeineren Themen wie der Quanteneffizenz der Lichtemission aus ZnO-Strukturen haben wir uns insbesondere den Laserprozessen zugewandt. Es wurde vor allem die Modenstruktur und die Dynamik der Laseremission aus Nanosäulen erforscht. Diese Säulen haben sowohl Wellenleiter als auch Resonatoreigenschaften und können ausgedehnte Felder von geordneten Nano-Lasern bilden. Bei Zimmertemperatur liefert dabei das Elektron-Loch-Plasma die nötige optische Verstärkung in ZnO auch wenn in vielen Publikationen fälschlicherweise von exzitonischer Verstärkung gesprochen wird. Im aktuellen Themengebiet der Zufallslaser haben wir mit hoch-ortsaufgelöster Spektrosopie an den ZnO-Pulvern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der beobachteten Phänomene beitragen können. Wir konnten nachweisen, dass verschiedene Arten von Lasermoden (lokalisierte und ausgedehnte) gleichzeitig auftreten können. Diese Feststellung bietet die Grundlage für eine umfassende theoretische Beschreibung des random lasings im Bild der Photondiffusion in einem ungeordenten, stark streuenden und verstärkenden Medium, die derzeit erarbeitet wird. Unsere Arbeiten zu Zufallslasern und Nanosäulen haben ein lebhaftes Echo in online- und print-Medien gefunden und wurden in populärwissenschaftlichen Journalen wie Physik in unserer Zeit und Bild der Wissenschaft vorgestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Room-Temperature Stimulated Emission of ZnO: Alternatives to excitonic lasing. Phys. Rev. B 75, 115203 (2007)
C. Klingshirn, R. Hauschild, J. Fallert, and H. Kalt
- ZnO: From Basics towards Applications. phys. stat. sol. (b), 244, 3027 (2007)
C. Klingshirn
- ZnO: Material, Physics, and Applications. ChemPhysChem 8, 782 (2007)
Claus Klingshirn
- Absolute external luminescence quantum efficiency of zinc oxide. Appl. Phys. Letters 92, 211105 (2008)
M. Hauser, A. Hepting, R. Hauschild, H. Zhou, J. Fallert, H. Kalt, and C. Klingshirn
- Lasing dynamics in single ZnO nanorods. OPTICS EXPRESS 16, 1125 (2008)
J. Fallert, F. Stelzl, H. Zhou, A. Reiser, K. Thonke, R. Sauer, C. Klingshirn, and H. Kalt
- Ordered n-type ZnO nanorod arrays. Appl. Phys. Lett. 92, 132112 (2008)
Huijuan Zhou, Johannes Fallert, Janos Sartor, Roman J.B. Dietz, Claus Klingshirn, Heinz Kalt, Daniel Weissenberger, Dagmar Gerthsen, Haibo Zeng, and Weiping Cai
- A comparative study of guided modes and random lasing in ZnO nanorod structures. J.Phys. D : Appl. Phys. 42 095106 (2009)
V. V. Ursaki, V. V. Zalamai, A. Burlacu, J. Fallert, C. Klingshirn, H. Kalt, G.A. Emelchenko, A. N. Redkin, A.N. Gruzintsev, E. V. Rusu and I. M. Tiginyanu
- Co-existence of strongly and weakly localized random laser modes. Nature Photonics 3 279 (2009), see also: D. S. Wiersma, Random lasers explained?, ibid. news and views p.246
J. Fallert, R.J.B. Dietz, J. Sartor, D. Schneider, C. Klingshirn and H. Kalt
- Lasing in single ZnO nanorods after fs- and ns-pulsed excitation. NOEKS 9, Klink/Müritz (May 2008), phys. stat. sol. C, 6, 449 (2009)
J. Fallert, R. J. B. Dietz, H. Zhou, J. Sartor, C. Klingshirn and H. Kalt
- Lichteinschluss in Zufallslasern. Physik in unserer Zeit, 40, 222 (2009)
J. Fallert, C. Klingshirn and H. Kalt
- 65 years of ZnO research – old and very recent results. Intern. Conf. on II-VI Compounds, St. Petersburg, Aug. (2009), phys. stat. sol. (b) 247, 1424 (2010)
C. Klingshirn, J. Fallert, H. Zhou, J. Sartor, C. Thiele, F.-Maier-Flaig and H. Kalt
- Random Lasing in Nanocrystalline ZnO Powders. phys. stat. solidi (b) 247, No. 6, 1448 (2010)
H.Kalt, J.Fallert, R.J.B.Dietz, J.Sartor. D.Schneider, and C.Klingshirn
- Zinc Oxide: From Fundamental Properties Towards Novel Applications. Springer Series in Materials Science 120 (2010)
C.F. Klingshirn, B.K. Meyer, A. Waag, A. Hoffmann and J. Geurts
- Enhancement of the near-band-edge photoluminescence of ZnO nanowires by metal nanoparticles: the role of the metal deposition process and unintentional H incorporation. Appl. Phys. Lett. 98, 131111 (2011)
A. Dev, J. P. Richters, J. Sartor, H. Kalt, T. Voss, J. Gutowski
- Random Lasers: Towards Mode-Locking. Nature Photonics 5, News and Views, 573 (2011)
Heinz Kalt
