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This thesis deals with the simulation, optimization and realization of quasi-optical scanning systems for active THz cameras. Active THz cameras are sensitive in the THz regime of the electromagnetic spectrum and are suitable for the detection of metal objects such as weapons behind clothing or fabrics (maybe for security applications) or material investigation. An advantage of active THz-systems is the possibility to measure the phase of the THz-radiation and thus to reconstruct the surface topography of the objects under test. Due to the coherent illumination and the required system parameters (like image field size, working distance and lateral resolution) the optical systems (in the THz region often called quasi-optical systems) must be optimized. Specifically, the active illumination systems require highly optimized quasioptical systems to achieve a good image quality. Since currently no suitable multi-pixel detectors are available, the object has to be scanned in one or two dimensions in order to cover a full field of view. This further reinforces the occurring aberrations. The dissertation covers, alongside the underlying theory, the simulation, optimisation and realisation of three different active THz systems. The subdivision of the chapters is as follows: Chapter 1 deals with a motivation. Chapter 2 develops the underlying theory and it is demonstrated that the geometrical optics is an adequate and powerful description of the image field optimization. It also addresses the developed analytic on-axis and the off-axis image field optimization routine. Chapter 3, 4 and 5 are about the basis of various active THz cameras, each presented a major system aspect. Chapter 3 shows how active THz-cameras with very high system dynamics range can be realised. Within this chapter it could although be demonstrated how very high depth resolution can be achieved due to the coherent and active illumination and how high refresh rate can be implemented. Chapter 4 shows how absolute distance data of the objects under test can be obtained. Therefore it is possible to reconstruct the entire object topography up to a fraction of the wavelength. Chapter 5 shows how off-axis quasi-optical systems must be optimized. It is also shown how the illumination geometry of the active THz systems must be changed to allow for real-time frame rates. The developed widened multi-directional lighting approach also fixes the still existing problem of phase ambiguity of the single phase measurement. Within this chapter, the world’s first active real-time camera with very high frame rates around 10 Hz is presented. This could be only realized with the highly optimised quasioptical system and the multi-directional lighting approach. The paper concludes with a summary and an outlook for future work. Within the outlook some results regarding the simulation of synthetic aperture radar systems and metamaterials are shown.
Terahertz (THz) physics are an emerging field of research dealing with electromagnetic radiation in the far-infrared to microwave region. The development of innovative technologies for the generation and detection of THz radiation has only in the recent past led to a tremendous rise of both fundamental research as well as investigation of possible fields of application for THz radiation. The most prominent reason has long been the scarce accessibility of the THz region of the electromagnetic spectrum - commonly loosely located between 0.1 and 30 THz - to broad research, and it was mostly limited to astronomy and high energy physics facilities. Over the recent years, numerous novel concepts on both the source and detector side have been proposed and successfully implemented to overcome this so-called THz gap. New technology has become available and paved the way for wide-spread experimental laboratory work and accompanying theoretical investigations. First application studies have emerged and in some cases even commercial development of the field of THz physics is on the rise. Despite these enormous progresses, a continuing demand for more efficient THz detectors still impels current technological research. Relatively low source powers are often a major limiting factor and the request for new detection concepts, their understanding and implementation, as well as the optimization on a device basis has been and still remains in place. One of these concepts is the use of field-effect transistors (FETs) high above their conventional cut-off frequencies as electronic THz detectors. The concept has been proposed in a number of theoretical publications by M. Dyakonov and M. Shur in the early 1990's, who pioneered to show that under certain boundary conditions, non-linear collective excitations of the charge carrier system of a two-dimensional electron gas (2DEG) by incident THz radiation can exhibit rectifying behaviour - a detection principle, which has become known as plasma wave or plasmonic mixing. Up until this day, the concept has been successfully implemented in many device realizations - most advanced in established silicon CMOS technology - and stands on the edge of becoming commercially available on a large scale. The main direction of the work presented in this thesis was the modeling and experimental characterization of antenna-coupled FETs for THz detection - termed TeraFETs in this and the author's previous works - which have been implemented in different material systems. The materials presented in this thesis are AlGaN/GaN HEMTs and graphene FETs. In a number of scientific collaborations, TeraFETs were designed based on a hydrodynamic transport model, fabricated in the respective materials, and characterized mainly in the lower THz frequency region from 0.2 to 1.2 THz. The theoretical description of the plasma wave mixing mechanism in TeraFETs, as initiated by Dyakonov and Shur, was based on a fluid-dynamic transport model for charge carriers in the transistor channel. The THz radiation induces propagating charge density oscillations (plasma waves) in the 2DEG, which via non-linear self-mixing cause rectification of the incident THz signals. Over the course of this work, it became evident in the on-going detector characterization experiments that this original theoretical model of the detection process widely applied in the respective literature does not suffice to describe some of the experimental findings in TeraFET detection signals. Thorough measurements showed signal contributions, which are identified in this work to be of thermoelectric origin arising from an inherent asymmetric local heating of charge carriers in the devices. Depending on the material, these contributions constituted a mere side effect to plasmonic detection (AlGaN/GaN) or even reached a comparable magnitude (graphene FETs). To include these effects in the detector model, the original reduced fluid-dynamic description was extended to a hydrodynamic transport model. The model yields at the current stage a reasonable qualitative agreement to the measured THz detection signals. This thesis presents the formulation of a hydrodynamic charge carrier transport model and its specific implementation in a circuit simulation tool. A second modeling aspect is that the transport equations cover only the intrinsic plasmonic detection process in the active gated part of the TeraFET's transistor channel. In order to model and simulate the behavior of real devices, extrinsic detector parts such as ungated channel regions, parasitic resistances and capacitances, integrated antenna impedance, and others must be considered. The implemented detector model allows to simulate THz detection in real devices with the above influences included. Besides presentation of the detector model, experimental THz characterization of the fabricated TeraFETs is presented in this work. Careful device design yielded record detection performance for detectors in both investigated materials. The respective results are shown and the experimental observations of the thermoelectric effect in TeraFETs are compared to modeling results. It is the goal of this work to provide a framework for further theoretical and experimental studies of the plasmonic and thermoelectric effect in TeraFETs, which could eventually lead to a new type of THz detectors particularly exploiting the thermoelectric effect to enhance the sensitivity of today's plasmonic TeraFETs.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird experimentell ein oszillatorischer Hall-Strom nachgewiesen, der sich in einem impulsiv optisch angeregten Halbleiterühergitter ausbildet, sobald sich dieses in einem statischen magnetischen Feld und einem dazu senkrechten statischen elektrischen Feld befindet. Das Übergitter dient dabei als Modellsystem für ein dreidimensionales Material und ermöglicht die Beobachtung eines unter dem Begriff "kohärenter Hall-Effekt" zusammengefassten Bewegungsverhaltens der Ladungsträger, das durch eine charakteristische Frequenzabhängigkeit des oszillatorischen Hall-Stromes von den äußeren Feldern gekennzeichnet ist. Dabei wird in der vorliegenden Arbeit das spezielle Bewegungsverhalten mit Hilfe eines semiklassischen Modells hergeleitet und diskutiert. Die zentrale Aussage des Modells ist die Existenz zweier scharf voneinander abgegrenzter Bewegungsregimes, (die sich durch eine entgegengesetzte Feldabhängigkeit der Oszillationsfrequenz auszeichnen. Am Übergang zwischen diesen beiden Regimes werden alle Oszillationen aufgrund einer gegen Null gehenden Frequenz unterdriickt. Dabei lässt sich im Gegensatz zum Ortsraum der Übergang zwischen den beiden Bewegungsregimes im k-Raum einfach klarmachen. Er wird durch die Überwindung der Mini-Brillouin-Zonengrenze durch das Ladungsträgerwellenpaket markiert und bestimmt, ob die Bewegungsform Bloch-oszillationsartig oder zyklotronartig ist. Der experimentelle Nachweis des kohärenten Hall-Effektes wird durch die Anwendung einer berührungsfreien optoelektronischen Technik ermöglicht, mit deren Hilfe das emittierte elektrische Feld der kohärenten, transienten Hall-Ströme zeitaufgelöst detektiert werden kann. Da diese Technik die Messung frei propagierender Strahlung im THz-Frequenzbereich gestattet, bezeichnet man die Methode als THiz-Emissionsspektroskopie. Im Gegensatz zum klassischen Hall-Effekt stellt sich der kohärente Hall-Effekt als Manifestation der Wellennatur (der Ladungsträger dar, die sich im Festkörper durch eine periodische Dispersionsrelation äußert,. Erst. die kohärente Präparation eines Ladungsträgerensembles ermöglicht dabei (die Beobachtung der mikroskopischen Vorgänge in Form einer transienten Bewegung, die, bedingt durch ultraschnelle Streuprozesse, auf kurzen Zeitskalen von etwa 1 ps dephasiert. Die Kohärenz wird dem System dabei mittels eines kurzen Laserpulses von etwa 100 fs Dauer aufgeprägt, mit dessen Hilfe die Ladungsträger im Übergitter optisch generiert werden. Diese Vorgehensweise ist mit der experimentellen Untersuchung von Bloch-Oszillationen vergleichbar, die ebenfalls erst durch die kohärente Präparation der Ladungsträger messbar werden. Die inkohärente Bewegung der Ladungsträger in einem Kristall unter dem Einfluss eines konstanten elektrischen Feldes wird bekanntermaßen durch das Ohmsche Gesetz beschrieben analog etwa der Beschreibung der IIall-Spannung beim klassischen Hall-Effekt.. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelingt der erste Nachweis des beschriebenen kohärenten Effektes und damit, der Beleg, dass es auch in dreidimensionalen Halbleitern, hier repräsentiert durch ein Übergitter, möglich ist, kohärente Signaturen des Hall-Effektes zu beobachteten. Im Gegensatz zu speziellen zweidimensionalen Strukturen, wie sie beim integralen und fraktionalen Quanten-Hall-Effekt verwendet werden, ist dies hier aufgrund des größeren Zustandsraumes und der dadurch bedeutenderen Dephasierungsprozesse nur auf sehr kurzen Zeitskalen realisierbar.
A fundamental work on THz measurement techniques for application to steel manufacturing processes
(2004)
The terahertz (THz) waves had not been obtained except by a huge system, such as a free electron laser, until an invention of a photo-mixing technique at Bell laboratory in 1984 [1]. The first method using the Auston switch could generate up to 1 THz [2]. After then, as a result of some efforts for extending the frequency limit, a combination of antennas for the generation and the detection reached several THz [3, 4]. This technique has developed, so far, with taking a form of filling up the so-called THz gap . At the same time, a lot of researches have been trying to increase the output power as well [5-7]. In the 1990s, a big advantage in the frequency band was brought by non-linear optical methods [8-11]. The technique led to drastically expand the frequency region and recently to realize a measurement up to 41 THz [12]. On the other hand, some efforts have yielded new generation and detection methods from other approaches, a CW-THz as well as the pulse generation [13-19]. Especially, a THz luminescence and a laser, originated in a research on the Bloch oscillator, are recently generated from a quantum cascade structure, even at an only low temperature of 60 K [20-22]. This research attracts a lot of attention, because it would be a breakthrough for the THz technique to become widespread into industrial area as well as research, in a point of low costs and easier operations. It is naturally thought that a technology of short pulse lasers has helped the THz field to be developed. As a background of an appearance of a stable Ti:sapphire laser and a high power chirped pulse amplification (CPA) laser, instead of a dye laser, a lot of concentration on the techniques of a pulse compression and amplification have been done. [23] Viewed from an application side, the THz technique has come into the limelight as a promising measurement method. A discovery of absorption peaks of a protein and a DNA in the THz region is promoting to put the technique into practice in the field of medicine and pharmaceutical science from several years ago [24-27]. It is also known that some absorption of light polar-molecules exist in the region, therefore, some ideas of gas and water content monitoring in the chemical and the food industries are proposed [28-32]. Furthermore, a lot of reports, such as measurements of carrier distribution in semiconductors, refractive index of a thin film and an object shape as radar, indicate that this technique would have a wide range of application [33-37]. I believe that it is worth challenging to apply it into the steel-making industry, due to its unique advantages. The THz wavelength of 30-300 ¼m can cope with both independence of a surface roughness of steel products and a detection with a sub-millimeter precision, for a remote surface inspection. There is also a possibility that it can measure thickness or dielectric constants of relatively high conductive materials, because of a high permeability against non-polar dielectric materials, short pulse detection and with a high signal-to-noise ratio of 103-5. Furthermore, there is a possibility that it could be applicable to a measurement at high temperature, for less influence by a thermal radiation, compared with the visible and infrared light. These ideas have motivated me to start this THz work.
In der vorliegenden Arbeit wird die Kopplung von Bloch- und Zyklotron-Oszillationen in Halbleiterübergittern unter dem Einfluss eines elektrischen und magnetischen Feldes zeitaufgelöst-elektro-optisch untersucht. Hierbei hängen sowohl die Stärke der Bloch-Zyklotron-Kopplung als auch die Charakteristika der kohärenten Ladungsträgerbewegung sensitiv von der relativen Anordnung der äußeren Felder ab. Bei gekreuzter Feldanordnung wird der Kohärente Hall-Effekt beobachtet. Semiklassisch lässt sich die Ladungsträgerdynamik in diesem Fall mit der Bewegungsgleichung eines nicht getriebenen, ungedämpften Pendels beschreiben. Abhängig vom Verhältnis E/B der äußeren Feldstärken lassen sich zwei Bewegungsregime mit gegensätzlicher Feldabhängigkeit der Frequenz der Ladungsträgeroszillationen unterscheiden. Bei schiefer Feldanordnung kommt es durch die nichtlineare Kopplung der Bloch-Oszillation mit der Zyklotron-Oszillation in der Übergitterebene zu einer phasenempfindlichen Gleichrichtung der transienten Oszillationen entlang der Wachstumsrichtung, wobei man in Resonanz eine Überhöhung dieses selbstinduzierten Gleichstroms beobachtet. In Anlehnung an ein analoges Phänomen, das an Josephson-Kontakten beobachtet wird, sprechen wir hierbei vom Fiske-Effekt. Für die räumliche Auslenkung X("unendlich") entlang der Wachstumsrichtung nach Abklingen der Kohärenz kann im Rahmen einer analytischen semiklassischen Näherung ein geschlossener Ausdruck angegeben werden. Die zeitaufgelösten Experimente zur Bloch-Zyklotron-Kopplung werden an zwei GaAs/Al0,3Ga0,7As-Übergitterstrukturen mit unterschiedlicher Quantentopfbreite durchgeführt. Im Spezialfall der gekreuzten Feldanordnung wird der Kohärente Hall-Effekt anhand der Existenz zweier Bewegungsregime mit ihrem charakteristischen Frequenz- und Dephasierungsverhalten in Abhängigkeit der äußeren Felder nachgewiesen und die lineare Abhängigkeit des Magnetfeldes am Übergang zwischen den Bewegungsregimen vom elektrischen Feld gezeigt. Die gleichermaßen prognostizierte Zunahme der Intensität höherer harmonischer Moden der Ladungsträgeroszillationen in der Nähe des Übergangs wird jedoch in der elektro-optischen Respons nicht beobachtet, wenngleich die verwendeten elektro-optischen Messtechniken im Vergleich zur Terahertz-Emissionsspektroskopie zur Untersuchung des Übergangsbereichs und höher frequenter Oszillationen prinzipiell besser geeignet sein sollten. Hierbei bestehende Einschränkungen werden diskutiert. Der für den Fall der schiefen Feldanordnung vorhergesagte selbstinduzierte Gleichstrom manifestiert sich experimentell in einem resonanzartigen Verlauf des elektro-optischen Signals nach Abklingen der Oszillationen in Abhängigkeit des Magnetfeldes. Durch Vergleich mit dem analytisch hergeleiteten Ausdruck für die räumliche Auslenkung lassen sich hieraus die relevanten Dämpfungskonstanten abschätzen und durch iterative Anpassung bestimmen. Die bei schiefer Feldanordnung mittels elektro-optischer Spektroskopie gemessenen Signale weisen nach Abklingen der kohärenten Ladungsträgeroszillationen nur einen sehr schwachen Driftanteil auf. Eine schlüssige Erklärung für diese Beobachtung ergibt sich, wenn bei der Behandlung der Ladungsträgerdynamik die Impuls- und Energierelaxation des Bloch-Oszillators unterschieden werden und eine sehr kleine Energiedämpfung angenommen wird.
Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung der optischen und elektronischen Eigenschaften von metallorganischen Materialien, die mit dem Verfahren der Elektronenstrahlinduzierten Deposition hergestellt wurden. Da es sich bei diesen noch relativ unerforschten Endprodukten um Materialmengen von wenigen Nanogramm Gewicht und geometrische Abmessungen im Sub-µm-Bereich handelt, wurden hierzu neue Verfahren der Herstellung, Strukturierung und Charakterisierung entwickelt. Sowohl die optischen als auch die elektronischen Eigenschaften dieser Deponate besitzen einen gemeinsamen physikalischen Nenner in ihrer inneren Morphologie: ein nanokristallines dielektrisches Verbundmaterial, das aus metallischen Kristalliten und organischen Polymeren gebildet wird. Im Hinblick auf die Durchführung der Untersuchungen war das Augenmerk auf zwei potentielle industrielle Anwendungen gerichtet: den Photonischen Kristallen und den Einzelelektronen-Phänomenen bei Raumtemperatur. Mit Hilfe von Beugungsexperimenten im Fernfeld wird ein Verfahren gezeigt, das eine der periodischen Struktur von Photonischen Kristallen angepaßte Charakterisierung von Materialstrukturen mit optischer Bandlücke ermöglicht. Das mathematische Grundgerüst bildet dabei eine rigorose Streutheorie, die als Lösung der Helmholtz-Gleichung an dielektrischen Zylindern mit wenigen hundert nm Durchmesser den Experimenten zugrunde gelegt wird und sowohl für die praktische Dimensionierung des Versuchsaufbaus als auch für die theoretische Auswertung der Meßdaten, z.B. für die Brechungsindexbestimmung, dient. Die Herstellung und Kontrolle der Eigenschaften von Einzelelektronen-Tunnelelementen (SETs, Single Electron Tunneling Devices), welche bei hohen Temperaturen mit einer abzählbar kleinen Anzahl von Elektronen noch arbeiten, dürfte wohl eine der größten Herausforderungen in der heutigen Festkörperelektronik sein. Obwohl die Idee dazu, auf Basis der "Orthodoxen Theorie", bis auf die 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts zurückgeht, konnten nennenswerte Ergebnisse nur unter "Laborbedingungen" mit entsprechend hohem experimentellem Aufwand erzielt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Weg gegangen, um die beiden wesentlichen Bedingungen der orthodoxen Theorie, nämlich die Kleinheit der Kapazitäten und hohe Tunnelwiderstände, durch das ungeordnete nanokristalline Netzwerk der metallorganischen Deponate zu erfüllen. Die Motivation hierzu liegt in der hochohmigen organischen Matrix der Deponate, die mit darin eingebetteten elektrisch isolierten Nanokristalliten (die mit Durchmessern zwischen 1 nm und 2.5 nm ausgezeichnete Quantenpunkte bilden) eine ideale Umgebung für den Betrieb von Einzelelektronen-Tunnelelementen bereitstellen. Ein stabiles Verhalten unter hohen Temperaturen und eine ausgeprägte Resistenz gegen quantenmechanische Fluktuationen (z. B. dem Co-Tunneln oder Hintergrundladungen) wird durch den Aufbau von nanokristallinen Netzwerken, die in der Arbeit als "Über-SET" bezeichnet werden, erreicht. Mit Hilfe der entwickelten speziellen Technik lassen sich Nanokristallite elektrisch bis zur quantenmechanischen Tunnelgrenze voneinander isolieren und als Quantenpunkte betreiben. Die dabei beobachtbaren Phänomene sind diskretisierte I/U-Kennlinien und das Blockade-Verhalten der Spannung bei Raumtemperatur, deren Entstehung in Monte-Carlo-Simulationen auf zwei physikalische Grundprinzipien zurückgeführt wird: der Ausbildung von Einfangzuständen (Traps) für Elektronen an Grenzstellen und dem Mechanismus des negativen differentiellen Widerstandes (NDR, Negative Differential Resistance). Beide Effekte fungieren in einer gegenseitigen Kombination zueinander durch Coulomb-Wechselwirkungen zu einem mikroskopischen Schalter für den gesamten Strom.
In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung einer optischen Detektionsmethode zur Messung der magnetischen Eigenschaften eines verdünnten Systems angewandt und zur Untersuchung von High-Spin–Low-Spin-Komplexen etabliert. Die von uns angewandte MCD-Spektroskopie vereint eine optische Messtechnik, die auf die Messung ultraschneller Effekte erweiterbar ist, mit einer direkten Messmethode für die magnetischen Eigenschaften einer verdünnten Probe des LD-LISC-Komplexes Fe(stpy)4(NCSe)2 (stpy = 4-styrylpyridin). Der LD-LISC-Effekt ist ein licht-induzierter Spinübergang, der auftreten kann, wenn von einem Paar metallorganischer Komplexe eines einen thermischen Spinübergang aufweist und optisch zwischen den beiden Komplexes geschaltet werden kann, beispielsweise durch eine Photoisomerisation. Im Falle von Fe(stpy)4(NCSe)2 ist der cis-Komplex für alle Temperaturen im high-Spin-Zustand, während der trans-Komplex einen thermischen Spinübergang aufzeigt. Mit MCD-Spektroskopie wurde die Magnetisierung des Grundzustands des Fe(II)(stpy)4 (NCS)2-Komplexes in der trans- und der cis-Konfiguration in verdünnten dotierten Polymerfilmen untersucht. Diese magnetooptische Spektroskopie-Technik ermöglicht die Identifizierung von MLCT-Bändern des Eisen-Komplexes, die in optischen Spektren durch stärkere Ligandenabsorptionsbäder überlagert sind und sich nur schlecht auflösen lassen. Das untersuchte System dient als Beispiel für eine Reihe von Verbindungen, die photoschaltbare magnetische Eigenschaften besitzen. Für den Komplex in der cis-Form können bei tiefen Temperaturen durch die Messung von MCD-Daten bei variablem Feld und variabler Temperatur der Spinzustand, der g-Tensor und die Übergangspolarisierung M, sowie achsiale und rhombische Verzerrungen der oktaedrischen Geometrie des Moleküls bestimmt werden. Für den Komplex in der trans-Form konnte erstmals der Unterschied im Spinübergangsverhalten zwischen einer verdünnten Probe und einer konzentrierten Pulverprobe mit einem High-Spin–Low-Spin-Übergangskomplex gezeigt werden. Mit MCD-Spektroskopie konnten die Spinübergangsparameter bestimmt werden, die mit SQUID-Magnetometrie nur unzureichend untersucht werden können. Erste Messungen der MCD-Spektren während gleichzeitiger optischer Anregung zur Beobachtung des LD-LISC-Effekts auf langsamen Zeitskalen zeigen keine Änderung der MCD-Spektren trotz ausreichender Anregungsleistung, die zu einer deutlich messbaren Photoisomerisation geführt hat. Bei einer Temperatur von 120K der Messung ist der trans-Komplex bereits zu einem großen Teil im High-Spin-Zustand, so daß der Unterschied zwischen den Spinzuständen des cis- und des trans-Zustandes unterhalb der Auflösung des verwendeten Aufbaus liegt. Die in dieser Arbeit erzielten Resultate demonstrieren, daß die MCD-Spektroskopie eine geeignete Technik zur Messung des magnetischen Zustands von LD-LISC-Komplexen (oder anderen Komplexen) in verdünnten, zufällig orientierten Proben ist.
The main subject of the thesis is the investigation of low-temperature-grown (LTG) GaAs-based photoconductive switches used in the generation of continuous-wave (CW) and pulsed terahertz (THz) radiation. The use of photoconductive switches based on low-temperature-grown GaAs proved to be a viable option in generating electromagnetic transients on a subpicosecond time-scale, corresponding to frequencies of ~1012 Hz (between microwave and far-infrared). The most appealing property of LTG-GaAs is the ultra-short carrier lifetime obtained by incorporation of a large number of As defects when GaAs is grown at low temperatures. However, the reason for poor THz emission efficiency (low CW-THz power lrvrls) is still up to this date not fully understood. The various reasons are to be found in both, optoelectronic properties of the active layer (photoconducting material) as well as in the device characteristics. The thesis focuses primarily on the limitation imposed to the performance of the THz emitters by the material of choice for the active layer (LTG-GaAs) and secondarily, on the impact of a particular emitter design on the THz radiation efficiency. In the beginning of the thesis one finds an ample overview on the electrical and optical properties of the LTG-GaAs material. A special chapter deals with the main features of current-voltage and CW-THz emission characteristics measured from a photoconductive antenna employed as photomixer. We observed deviations from the theoretical predictions of photomixing theory which were explained by considering the high-field electrons effects (velocity overshoot and elongation of the carrier trapping time). With the scope to provide a better understanding of the correlation between device and material properties when the LTG-GaAs material is integrated with a planar antenna (photoswitch), a special THz double-pulse technique (THz-pump and -probe) was implemented. The experimental results assisted by modeling of the double-pulse THz data provide a gainful insight into the ultrafast dynamics of the electrical field and photogenerated carriers. The outcome of the double-pulse experiments is the evidence for long-living carriers in the LTG-GaAs-based photoconductive antenna under applied bias, with a deleterious impact upon the emitter performance (especially for the CW case). Additionally, by measuring the THz transients generated by a constant laser pulse with and without a CW laser background illumination, we obtained further evidence of strong field-screening effects. This phenomenon was also attributed to the existence of long-living space-charge effects. For both cases (pulsed as well as CW) we derived the de-screening time constant. The principal conclusion of the present study is that, besides shortcomings imposed by the THz-circuitry, photomixers based on materials with traps (defects) exhibit great “affinity” for space-charge screening effects with cumulative and therefore long-lived deleterious impact upon device’s performance. An alternative would be the usage of a transient-time limited device where the response time is given by the carrier collection time, possibly with only one type of carrier responsible for THz signal generation.
Alignment, characterization and application of polyfluorene in polarized light-emitting devices
(2001)
Ziel im Rahmen der vorliegenden Dissertation war die Realisierung der polarisierten Elektrolumineszenz blau emittierender flüssigkristalliner Polyfluorene. Polymere Leuchtdioden, die aufgrund hoher Orientierung der Moleküle in der aktiven Schicht polarisiert emittieren, sind für eine Anwendung beispielsweise als Hintergrundbeleuchtung in Flüssigkristallanzeigen (LCDs) von Interesse. Es wurde gezeigt, dass sich mit der Ausrichtung von Polyfluoren auf Ori entierungsschichten auf der Basis von geriebenem Polyimid hohe Ordnungsgrade erzielen lassen. Die Dotierung mit lochleitenden Materialien erlaubte erstmals den Einbau solcher Orientierungsschichten in Leuchtdioden und ermöglichte die Realisierung polarisierter Elektrolumineszenz. Die Morphologie und Struktur sowohl der hoch orientierten Polyfluoren filme als auch lochleitender Orientierungsschichten wurden eingehend untersucht. Die ElektrolumineszenzEigenschaften von isotropen sowie polarisierten Leuchtdioden wurden ausführlich analysiert und anschließend durch chemische Modifizierung des Polyfluorens entscheidend verbessert. Zusätzlich wurde Polyfluoren mit fluoreszierenden Farbstoffen dotiert, um ausgehend von blauem Licht grüne und rote Emission zu erhalten. Hierbei wurde unter sucht, in welchem Maß FörsterEnergietransfer sowie Ladungsträgereinfang für die Emission der eingemischten Farbstoffe verantwortlich sind. Eine Einführung in die Grundlagen der Elektrolumineszenz konjugierter Polymere findet sich in Kapitel 2 dieser Arbeit. Da polarisierte Elektrolumineszenz ein hohes Maß an Anistotropie der emittierenden Schicht erfordert, werden anschließend verschiedene Methoden zur Ausrichtung von Polymeren besprochen, wobei besondere Betonung auf der Orientierung flüssigkristalliner Polymere liegt. Kapitel 3 behandelt die signifikanten Eigenschaften der Polymere sowie die experimentel len Methoden, die im Rahmen dieser Arbeit verwendet wurden. Neben Polyfluoren wird ein weiteres blau emittierendes Polymer, Polyphenylenethynylen (PPE), eingeführt. Bei der Cha rakterisierung der Polyfluorene wird im Anschluss an die Beschreibung der reinen Polymere insbesondere der positive Einfluss des Anbringens von lochleitende Endgruppen an die Hauptkettenenden auf wesentliche Eigenschaften bezüglich der Elektrolumineszenz aufgezeigt. Außerdem werden die wesentlichen Merkmale von Polyimid, welches die Matrix der Orientierungsschicht bildet, sowie von verschiedenen Polymeren, die der Lochleitung und der Lochinjektion dienen, besprochen. Die Beschreibung der Methoden zur Präparation isotroper und polarisierter Leuchtdioden sowie zur Untersuchung der optischen, elektrischen und mor phologischen Eigenschaften der Polymerfilme bilden den Abschluss dieses Abschnitts. Im vierten Kapitel dieser Arbeit werden unterschiedliche Verfahren zur Ausrichtung der Polymermoleküle auf Polyfluoren sowie auf PPE angewandt und hinsichtlich der erreichbaren Ordnungsgrade verglichen und beurteilt. Im Falle von Polyfluoren wurde gezeigt, dass eine Orientierung im flüssigkristallinen Zustand mit Hilfe zusätzlicher Orientierungsschichten, welche auf geriebenem Polyimid basieren, die einzige geeignete Methode zur Orientierung dieses Po lymers ist. Durch den Zusatz von niedrigmolekularen lochleitenden Materialien in geeigneter Konzentration in die PolyimidMatrix konnte das nichtleitende Polyimid so modifiziert wer den, dass es sich in Leuchtdioden einbinden ließ, ohne dass die Orientierungseigenschaften der Schichten verloren gingen. Vergleiche unterschiedlicher Polyfluorene ergaben, dass die Länge und Struktur der AlkylSeitenketten das Orientierungsverhalten entscheiden beeinflussen. Hierbei wurde gezeigt, dass sich für verzweigte Seitenketten deutlich höhere Orientierungsgrade erreichen lassen als für solche mit linearen Seitenketten. Dies wurde mit dem vergrößerten Verhältnis aus Persistenzlänge und Polymerdurchmesser erklärt, was gemäß der Theorie der flüssigkristallinen Polymere zu einer Zunahme des erreichbaren Ordnungsparameter führt. Außerdem wiesen die Absorptionsspektren der Polyfluorene mit langen Seitenketten auf eine planare Konformation der Polymerrückgrate hin, welche aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen den einzelnen Ketten eine Orientierung im flüssigkristallinen Zustand verhindert. Von allen untersuchten Polyfluorenen ließ sich Poly(diethylhexylfluoren) (PF2/6) am besten orientieren. Im Gegensatz zu Polyfluoren scheiterte der Versuch, PPE im flüssigkristallinen Zustand auf Orientierungsschichten auszurichten. Kalorimetrische DSCUntersuchungen machten deutlich, dass sich die Struktur von PPE in flüssigkristalliner und kristalliner Phase nur unwesentlich voneinander unterscheiden. In beiden Phasen deuteten Absorptionsuntersuchungen auf eine planare Konformation der PPERückgrate. Die Viskosität des als sehr steif bekannten Polymers PPE ist daher auch in flüssigkristallinem Zustand zu hoch, um eine Umordnung der Moleküle zu verursachen, welche allein durch Wechselwirkung mit einer Orientierungsschicht hervorgerufen wird. PPE konnte jedoch im kristallinen Zustand orientiert werden, indem anstatt einer zusätzlichen Orientierungsschicht der Polymerfilm selbst gerieben wurde. Die hohe Steifigkeit von PPE erlaubte die Übertragung der Kräfte, die durch das Reiben verursacht werden, auf das starre Polymerrückgrat und ermöglichte eine homogene Ausrichtung der Moleküle. Mit Hilfe dieser Methode konnten Leuchtdioden mit PPE in der aktiven Schicht verwirklicht werden, die polarisiert emittierten. Die bestmöglichen Methoden zur Ausrichtung der Moleküle unterschie den sich demnach für die beiden flüssigkristallinen Polymere Polyfluoren und PPE, und für beide Polymere wurden Verfahren gefunden, die die Herstellung von polarisierten Leuchtdioden ermöglichten. In Kapitel 5 dieser Arbeit werden die Morphologie, die Struktur sowie weitere wesentliche Eigenschaften sowohl orientierter Polyfluorenfilme als auch der zur Ausrichtung benötigten lochleitenden Orientierungsschichten aus dotiertem Polyimid besprochen. Hierfür wurden die Filme mit Hilfe von Licht und Elektronenmikroskopie sowie von Elektronen und Röntgen beugungsexperimenten untersucht. Im ersten Teil wird die beobachtete Abnahme der Orien tierbarkeit von Polyfluoren mit zunehmendem Molekulargewicht durch Elektronenbeugungs untersuchungen näher beschrieben. Ergebnisse aus TransmissionsElektronenmikroskopie Untersuchungen zeigten, dass sich die Morphologie orientierter PF2/6Filme durch hochgeordnete Lamellen auszeichnet, welche in regelmäßigen Abständen von ungeordneten Regionen unterbrochen werden. Innerhalb der orientierten Lamellen sortieren sich die Moleküle nach ähnlicher Kettenlänge, wohingegen in den ungeordneten Gebieten vornehmlich die Endgruppen der Ketten vorzufinden sind. Strukturuntersuchungen ergaben, dass die einzelnen Polymerketten von PF2/6 zylindrisch sind und eine hexagonale Packung aufweisen, wobei die Polymerrück grate eine 5/2Helixstruktur bilden. Das wurmähnliche Rückgrat ist dabei zylinderförmig von einer Hülle aus ungeordneten Seitenketten umgeben, die ähnlich wie ein Lösungsmittel zwi schen den einzelnen Ketten wirken. Die hieraus folgende geringe Viskosität des Polymers dient als Erklärung für die beobachtete bessere Orientierbarkeit von PF2/6 im Vergleich zu Polyfluoren mit linearen OktylSeitenketten oder zu PPE. Im zweiten Teil des fünften Kapitels werden Ergebnisse von Untersuchungen der lochlei tenden Orientierungsschichten vorgestellt. Der Einfluss der Zugabe von lochleitenden Materialien zu Polyimid auf mechanische sowie auf elektrische Eigenschaften wurde untersucht. Bei moderater LochleiterKonzentration war die mechanische Stabilität der Filme ausreichend, um nach dem Reiben keine merklichen Unterschiede zu undotierten geriebene Filmen aufzuweisen. Vergleiche entsprechender Filme hinsichtlich Ladungsinjektion und transport zeigten, dass erst durch die Dotierung eine Verwendung von PolyimidOrientierungsschichten in Leuchtdioden ermöglicht wird. Sowohl polymere als auch niedrigmolekulare lochleitende Materialien wur den hinsichtlich der erreichbaren Orientierungsgrade sowie der resultierenden ElektrolumineszenzEigenschaften verglichen, wobei nur letztere in beiden Belangen zugleich zu vorteilhaften Ergebnissen führten. Es wurde gezeigt, dass sich die besten Resultate mit polarisierten Leuchtdioden erzielen ließen, bei denen die emittierende Schicht auf eine DoppelschichtStruktur aufgebracht war, die der Lochinjektion und der Orientierung dienten. Hierbei befand sich oberhalb einer LochinjektionsSchicht aus reinem Lochleitermaterial eine weitere lochleitende Orientie rungsSchicht aus dotiertem Polyimid. Variation der Lochleiterkonzentrationen in Polyimid er gaben, dass die Helligkeit mit zunehmender Konzentration zunahm, wohingegen die erreichten Polarisationsverhältnisse gleichzeitig abnahmen. SEM und AFMUntersuchungen über den Einfluss der Lochleiterkonzentration auf die Schichtmorphologie ergaben, dass diese Beobachtungen durch Phasenseparation und mechanische Beschädigung der Filme zu erklären ist, welche bei Konzentrationen oberhalb 20 Gewichtsprozent eintreten. Im Kapitel 6 wird schließlich die Elektrolumineszenz von Leuchtdioden mit Polyfluoren als emittierende Schicht diskutiert. Zuerst wurde in isotropen Leuchtdioden die günstigste Diodenarchitektur ermittelt sowie die Optimierung der verwendeten Schichten vorgenommen. Die Ergebnisse wurden mit den Kenntnissen kombiniert, die im Rahmen der oben beschriebenen Untersuchungen erworben wurden, um die Herstellung von Leuchtdioden mit hochpolarisierter Emission zu verwirklichen. Blaue Elektrolumineszenz mit einem Emissionsmaximum von 450 nm und einem Polarisationsverhältnis von 21 wurden erzielt, wobei die Leuchtdichte bei einer angelegten Spannung von 18 V etwa 100 cd/m 2 betrug, was der typischen Helligkeit eines Computermonitors entspricht. Alle ElektrolumineszenzEigenschaften ließen sich durch End funktionalisierung des Polyfluorens weiter deutlich verbessern, indem lochleitende TriarylaminDerivate an die Enden der Hauptketten angebracht wurden ('Endcapping'). Der unerwünschte Beitrag zur Emission bei höheren Wellenlängen, welcher im Falle des reinen Polyfluoren beo bachtet wurde und gemeinhin aggregierten Polymermolekülen zugeschrieben wird, wurde durch das Konzept der Endfunktionalisierung wirksam unterdrückt. Außerdem war die Farbstabilität wesentlich verbessert und die Effizienz der Leuchtdioden um mehr als eine Größenordnung höher als bei der Verwendung des reinen Polyfluorens. Diese Beobachtungen wurden mit den elektrochemischen Eigenschaften der Endgruppen erklärt. Letztere wirken als anziehende Fallen für Ladungsträger, was dazu führt, dass die Erzeugung von Exzitonen und die anschließende Rekombination vorwiegend in der Nähe der Kettenenden stattfindet, anstatt wie im Falle des reinen Polyfluorens an weniger effizienten Aggregaten oder Exzimererzeugenden Stellen. Es wurde gezeigt, dass die Endfunktionalisierung weder das Verhalten des Polymers im flüssig-kristallinen Zustand, noch dessen Orientierbarkeit beeinträchtigte. Die Verwendung des modifizierten Polyfluorens erlaubte die Herstellung von polarisierten Leuchtdioden mit einem Polarisationsverhältnis von 22 und einer Leuchtdichte von 200 cd/m 2 bei 19 V, wobei die Schwellspannung auf 7,5 V gesenkt wurde. Dioden mit einem Anisotropiefaktor von 15 er reichten Leuchtdichten von bis zu 800 cd/m 2 . Die Effizienz dieser Leuchtdioden war mit 0,25 cd/A bei ähnlichem Polarisationsverhältnis und Leuchtdichte um mehr als doppelt so hoch wie die bisher berichteten Werte. Die Veränderung der eigentlich blauen Emissionsfarbe durch die Zugabe von Materialien mit niedrigerer Bandlücke in eine Polyfluorenmatrix wird im Kapitel 7 beschrieben. Es wurde gezeigt, dass der Zusatz bereits geringer Konzentrationen eines grün emittierenden Thiophen Farbstoffes das Emissionsspektrum des Polyfluorens entscheidend veränderte und die Realisierung grüner Emission ermöglichte. Genau wie im Falle der nichtemittierenden Lochleiter, die für die Endfunktionalisierung des Polyfluoren verwendet wurden, wirken auch die ThiophenFarbstoffe als effektive Ladungsträgerfallen, was neben der Farbveränderung eine drastische Verbesserung der Leuchtdiodeneffizienzen zur Folge hatte. Darüber hinaus konnte mit Hilfe des dotierten Polyfluorens polarisierte grüne Elektrolumineszenz verwirklicht werden, wobei die Polarisationsverhältnisse Werte von bis zu 30 erreichten, bei einer Leuchtdichte von 600 cd/m 2 und einer Effizienz von 0,3 cd/A. Im Hinblick auf rote Elektrolumineszenz wurden Leuchtdioden mit dendronisierten Pery lenfarbstoffen in der emittierenden Schicht untersucht, zum einen in reiner Form und zum an deren in Mischungen mit Polyfluoren. Hierfür wurden zwei Generationen von Dendrimeren, bestehend aus zentralem PerylendiimidChromophor und PolyphenylenGerüst, mit einer nichtdendronisierten Modellverbindung verglichen. Leuchtdioden mit reinen Filmen der ersten und zweiten Dendrimergeneration emittierten rotes Licht mit CIEKoordinaten (0,627/0,372) und einer Leuchtdichte von bis zu 120 cd/m 2 bei 11 V, wobei die Effizienz allerdings nur 0,03 cd/A betrug. Um die unterschiedlichen Mechanismen zu klären, die zur Emission der Farbstoffmoleküle führen, wurden die Farbstoffe in Polyfluoren beigemischt, und der Einfluss der Dendronisierung auf die Emissionsfarbe und die Intensität der Elektrolumineszenz wurde untersucht. In Photolumineszenz wurde mit zunehmender Dendronisierung eine Abnahme des Förster Energieübertrags vom PolyfluorenWirt zu dem PerylenfarbstoffGast verzeichnet, was zu einen höheren blauen Anteil im Emissionsspektrum führte. Hingegen wurde gezeigt, dass in Elektrolumineszenz die Farbstoffe als Elektronenfallen wirken und die Rekombination der Ladungsträger zu Exzitonen somit vorwiegend auf den Farbstoff anstatt auf den Polyfluorenmolekülen statt findet. Aus diesem Grund war die Betonung der roten Emission in Elektrolumineszenz ungleich stärker als in Photolumineszenz, bei der die rote Emission ausschließlich durch Energieübertrag via Förstertransfer zu Stande kommt. Die Verstärkung einer Farbverschiebung von rot nach blau, die mit zunehmender Dendronisierung und ansteigender Betriebsspannung beo bachtet wurde, konnte qualitativ mit der kinetischen Beeinträchtigung des Elektronenübertrags vom PolyfluorenWirt auf den PerylendiimidChromophor erklärt werden. Der bestmögliche Kompromiss aus roter Farbtiefe und Helligkeit wurde für die Mischung aus Polyfluoren und dem Farbstoff der ersten Dendrimergeneration erzielt. Bei angelegter Spannung von 6,5 V lag die Leuchtdichte bei 100 cd/m 2 und bei 11 V bei 700 cd/m 2 , wobei das Emission bei 600 nm ihr Maximum hatte.