Periodische Punktdefektstrukturen und Quantenpunktemitter in zweidimensionalen photonischen Kristallen

Abstract

Photonische Kristalle sind gitterperiodische Anordnungen von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex und lassen sich mit festkörperphysikalischen Methoden behandeln. Für das Licht ergibt sich eine Dispersionsrelation ähnlich der Bandstruktur der Elektronen. Ein Modellsystem eines zweidimensionalen photonischen Kristalles ist das makroporöse Silizium. Es bietet die Möglichkeit, prinzipielle Eigenschaften photonischer Kristalle experimentell zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist der Prozeß der Lichtemission innerhalb des Kristalls. Zu diesem Zweck wurde ein definierter Infiltrationsprozeß entwickelt, der es ermöglicht, das makroporöse Silizium mit HgTe-Quantenpunktemittern zu funktionalisieren. Die spektrale Modifikation des Emissionsverhalten wird dargestellt. Die Erzeugung von Defektstrukturen bewirkt eine Lokalisierung des Lichtes innerhalb des photonischen Kristalls. Um diese Lokalisierung zu untersuchen, wurden periodische Überstrukturen von Punktdefekten innerhalb des makroporösen Siliziums erzeugt. In Abhängigkeit von der Defektkonzentration wird die Wechselwirkung der Punktdefekte untereinander sowie die Gruppengeschwindigkeit des Lichtes im Kristall quantitativ beschrieben. Das Design der einzelnen Punktdefekte ermöglichte die gezielte Infiltration mit HgTe-Quantenpunktemittern. Die Kopplungsbedingungen dieser Emitter an die Resonatormoden der Punktdefekte werden detailliert dargestellt.

Photonic crystals are spatially periodic arrangements of materials with different refractive indices, which can be described by a formalism originating from solid state physics. The dispersion relation for the light has the form of a bandstructure, as for electrons in solids. A model system of a two-dimensional photonic crystal is the so-called macroporous silicon. It gives the opportunity to investigate principal properties of photonic crystals experimentally. The emission of light inside a photonic crstal is of particular interest. A defined infiltration process allows the functionalization of the macroporous silicon with HgTe quantum dot emitters. The spectral modification of the emission and the mechanism of coupling is shown and discussed in detail. The introduction of defect strutures to a photonic crystal causes a localization of light. To investigate this localization, periodic superstructures of point defects are created within the macroporous silicon. The interaction of the point defects and the group velocity of the light are quantitatively described with respect to the defect concentration. The design of the single point defect allows the selective infiltration of HgTe-quantum dot emitters. The conditions for the coupling of the emitters to the resonator modes of the point defects are demonstrated and discussed.