Ultrafast photoconductivity and charge carrier transport in semiconductor nanostructures: a study by terahertz spectroscopy

• Název práce v češtině: Ultrarychlá fotovodivost a transport náboje v polovodičových nanostrukturách: studium pomocí terahertzové spektroskopie
• Název v anglickém jazyce: Ultrafast photoconductivity and charge carrier transport in semiconductor nanostructures: a study by terahertz spectroscopy
• Klíčová slova: ultrarychlá terahertzová spektroskopie|fotovodivost|transport a lokalizace náboje|depolarizační pole|teorie efektivního prostředí
• Klíčová slova anglicky: ultrafast terahertz spectroscopy|photoconductivity|charge transport and confinement|depolarization fields|effective medium theory
• Akademický rok vypsání: 2014/2015
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. (32-FZUAV)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Petr Kužel, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 15.09.2015
• Datum zadání: 15.09.2015
• Datum potvrzení stud. oddělením: 02.10.2015
• Datum a čas obhajoby: 03.04.2023 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 15.01.2023
• Datum odevzdání tištěné podoby: 16.01.2023
• Datum proběhlé obhajoby: 03.04.2023
• Oponenti: RNDr. Lukáš Nádvorník, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Časově rozlišená terahertzová spektroskopie využívá ultrakrátkých pulsů v daleké infračervené oblasti (typický interval frekvencí 0.1–3 THz) k bezkontaktnímu sondování ultrarychlé odezvy vzorků. V polovodičových materiálech a strukturách je tato odezva spojena zejména s transportem nosičů náboje na ~5–50 nm škále. Změřená spektra fotovodivosti pak závisí zejména na (1) interakci nosičů náboje s hranicemi nanostruktur (lokalizace náboje) a na (2) depolarizačních polích, která vznikají ve vodivém nehomogenním prostředí. Detailní analýza spekter a teoretické simulace pohybu nosičů náboje umožňují získat jejich nanoskopickou odezvovou funkci v daném vzorku se sub-pikosendovým časovým rozlišením.
Tato práce by měla přispět k základnímu porozumění transportu náboje v nanosystémech. Student se bude věnovat experimentálními i teoretickému výzkumu vybraných nanostrukturovaných systémů (např. izolované InGaAs nebo GaAs ostrůvky, filmy nanokrystalických CdSe, Si nanodráty) pomocí časově rozlišené THz spektroskopie a numerických simulací. Experimenty i simulace budou prováděny v závislosti na teplotě a zejména v závislosti na hustotě optické excitace. Cílem práce je pochopení hlubší souvislosti mezi transportem náboje na nanometrové vzdálenosti a spektry THz vodivosti.

Seznam odborné literatury

Books:

C. Jacoboni, Theory of Electron Transport in Semiconductors, Springer series in Solid state Sciences, Springer 2010

K-E. Peiponen, J. A. Zeitler, M. Kuwata-Gonokami Eds., Terahertz spectroscopy and imaging, Springer series in Optical Sciences,
Springer 2013

Reviews:
J. Lloyd-Hughes and T.-I. Jeon, J. Infrared Milli. THz. Waves 33, 871-925 (2012)

R. Ulbricht, E. Hendry, J. Shan, T. F. Heinz, and M. Bonn, Rev. Mod. Phys. 83, 543-586 (2011)

H. Němec, P. Kužel, and V. Sundström, J. Photochem. Photobiol. A 215, 123-139 (2010)

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Time-resolved terahertz spectroscopy utilizes ultrashort far infrared (typically 0.1–3 THz) pulses as a contact-free probe of ultrafast response of photoexcited samples. In semiconductor materials and structures the response is related namely to the charge carrier transport on 5–50 nm length scale. The measured photoconductivity spectra then depend namely on (1) interaction of carriers with nanostructure boundaries (localization of charge) and on (2) depolarization fields which strongly build up in inhomogeneous conducting medium. Detailed analysis of spectra and theoretical simulations of the charge carrier motion allow one to obtain the nanoscopic response function of mobile carriers in a given sample with sub-picosecond time resolution.
This work should contribute to the fundamental understanding of charge carrier transport in nanosystems. The student will focus on experimental and theoretical research of selected nanostructured systems (e.g. isolated InGaAs and GaAs islands, nanocrystalline films of CdSe, Si nanowires) by means of THz spectroscopy and numerical simulations. Experiments and simulations will be carried out as a function of temperature and especially as a function of the optical excitation density. The main goal of the work is to gain a deeper insight into the nanoscale charge transport and its relation to the THz conductivity spectra.