Terahertz-Photoleitung von Quanten-Hall-Systemen

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Untersuchung der Terahertz-(THz)-Photoleitung in Systemen unter Quanten-Hall-(QH)-Bedingungen. Diese Untersuchungen sind einerseits interessant im Hinblick auf eine potentielle Anwendung von QH-Systemen als leistungsfähige THz-Detektoren. Andererseits werden grundlagenorientierte Fragen zur Photoleitung in QH-Systemen behandelt. Als THz-Strahlungsquelle wurde vorwiegend ein p-Ge-Lasersystem genutzt, das im Frequenzbereich um 2THz emittiert (dies entspricht Photonenenergien von rund 10meV). Die Messungen wurden an GaAs/AlGaAs- und HgTe/HgCdTe-Heterostrukturen bei tiefer Temperatur T=4K und hohem Magnetfeld 0<B<8T durchgeführt. Die photoinduzierte Änderung der Längsleitfähigkeit bzw. des Längswiderstandes wurde in Abhängigkeit verschiedener Parameter wie Magnetfeld, Photonenenergie und Ladungsträgerkonzentration untersucht. Das Photosignal wird durch Überlagerung des Zyklotronresonanz-(ZR)- und des Bolometer-Effektes erklärt. Die spektrale Auflösung G als anwendungsrelevante Größe konnte aus magnetfeldabhängigen Messungen bestimmt werden. Den besten Wert von G=1meV bei rund 8meV Photonenenergie erreicht eine Probe in Corbino-Geometrie mit einer Elektronenbeweglichkeit von 50m^2/(Vs). Durch ausführliche zeitaufgelösten Messungen wurde die Relaxationszeit tau in Abhängigkeit der Source-Drain-Spannung V_sd bestimmt. Es ergeben sich Relaxationszeiten von 10ns bis über 200ns. Die Abhängigkeit tau(V_sd) konnte mit einem zwei Niveau-Bild erklärt werden. Ein Teil der Untersuchungen wurde an HgTe/HgCdTe-Systemen durchgeführt, an denen bisher keine Messungen der THz-Photoleitung publiziert waren. Aufgrund der geringen effektiven Masse tritt ZR bei geringen Magnetfeldern auf (etwa 2T bei 9meV). Deshalb ist dieses Materialsystem besonders interessant für Detektoranwendungen, für die sich QH-Systeme wegen der hohen Empfindlichkeit, spektralen Einstellbarkeit und schnellen Ansprechzeit anbieten.