Fotovodivost a transport náboje v polovodičových nanostrukturách: studium pomocí časově rozlišené terahertzové spektroskopie

• Thesis title in Czech: Fotovodivost a transport náboje v polovodičových nanostrukturách: studium pomocí časově rozlišené terahertzové spektroskopie
• Thesis title in English: Photoconductivity and charge carrier transport in semiconductor nanostructures: a study by time-resolved terahertz spectroscopy
• Key words: ultrarychlá terahertzová spektroskopie, fotovodivost, transport a lokalizace náboje, depolarizační pole, elektromagnetismus nehomogenních prostředí, optické nelineární jevy
• English key words: ultrafast terahertz spectroscopy, photoconductivity, charge transport and confinement, depolarization fields, electromagnetism of inhomogeneous media, optical nonlinearities
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Chemical Physics and Optics (32-KCHFO)
• Supervisor: doc. RNDr. Petr Kužel, Ph.D.

Guidelines

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 s transportem nosičů náboje na ~10–100 nm škále. Toto předurčuje THz frekvence jako významnou spektrální oblast pro studium transportu náboje v polovodičových nanostrukturách.
Tato práce by měla přispět k základnímu porozumění transportu náboje v nanosystémech a prostudování možnosti využití nelineární vodivostní odezvy nábojů k nelineárním optickým aplikacím v THz oblasti. Student se bude věnovat výzkumu vybraných systémů s důrazem na nanostruktury připravené pomocí epitaxe molekulárních svazků a elektronové litografie (např. izolované GaAs ostrůvky); bude se podílet na koncepci nanostruktur, na spektroskopických experimentech i na teoretické interpretaci výsledků. Experimentální studium bude spočívat na časově rozlišené THz spektroskopii v dalekém poli (standardní měření typu optická excitace – THz sondování) i v blízkém poli (s využitím nedávno instalovaného zařízení THz SNOM - Scanning Near-field Optical Microscope pro THz oblast); interpretace dat bude využívat zejména výpočtů THz vodivosti pomocí metody Monte-Carlo vyvinuté v naší laboratoři. Studium vyžadující použití silného THz pole bude zahrnovat modifikace stávajících experimentálních uspořádání v laboratoři a může též zahrnovat participaci na experimentech s intenzivními zdroji THz záření v zahraničí (např. ELI Attosecond v Szegedu, FELBE v Helmhotz-Zentrum Dresden-Rossendorf).

References

Books:
C. Jacoboni, Theory of Electron Transport in Semiconductors, Springer series in Solid state Sciences, Springer 2010
C. F. Klingshirn, Semiconductor Optics, Third edition, Springer 2007
J. Kuchařík, Charge transport in semiconductor nanostructures investigated by time resolved multi terahertz spectroscopy, Doktorská disertační práce, Charles University in Prague, 2019
V. Zajac, Ultrafast response of electrons in nanostructured and disordered semiconductor systems studied by time-resolved terahertz spectroscopy, Doktorská disertační práce, Charles University in Prague, 2017

Reviews:
H. Němec, P. Kužel, and V. Sundström, Charge transport in nanostructured materials for solar energy conversion studied by time-resolved terahertz spectroscopy, J. Photochem. Photobiol. A 215, 123-139 (2010)
R. Ulbricht, E. Hendry, J. Shan, T. F. Heinz, and M. Bonn, Carrier dynamics in semiconductors studied with time-resolved terahertz spectroscopy, Rev. Mod. Phys. 83, 543-586 (2011)
J. Lloyd-Hughes and T.-I. Jeon, A review of the terahertz conductivity of bulk and nano-materials, J. Infrared Milli. THz. Waves 33, 871-925 (2012)
P. Kužel and H. Němec, Terahertz conductivity in nanoscaled systems: effective medium theory aspects, J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 374005 (2014).
P. Kužel and H. Němec, Terahertz spectroscopy of nanomaterials: a close look at charge-carrier transport, Adv. Opt. Mater. 7, 1900623 (2019).

Preliminary scope of work in English

Time-resolved terahertz spectroscopy uses 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 to the charge carrier transport on ~10–100 nm length scale. This predestines terahertz frequencies for the investigation of charge transport in semiconductor nanostructures.
This work should contribute to the fundamental understanding of charge carrier transport in nanosystems and possibly also to a research on the nonlinear conductivity response of confined carriers and its application to nonlinear optics in the THz range. The student will focus on the research of selected systems with the accent put on regular nanostructures prepared on purpose by molecular beam epitaxy and electron beam lithography (e.g. isolated GaAs islands). He/she will participate in the conception of nanostructures, in spectroscopic measurements and in theoretical interpretation of the results. The experiments will consist of time-resolved THz spectroscopy both in the far field (standard optical pump – THz probe measurements) and in the near field (with the use of recently installed THz SNOM - scanning near-field optical microscope for the THz range); the interpretation will mainly rely on Monte-Carlo calculations of the THz conductivity developed in our laboratory. Studies requiring strong THz fields will involve modifications of experimental setups in the lab and may also involve participation in experiments with intense THz sources abroad (e.g. ELI Attosecond in Szeged or FELBE in Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf).