Promotionsvortrag von Janina Schindler

ihre kristalline Umgebung via Phononen koppeln, welche elementare Schwingungsanregungen des Kristallgitters sind. Die Kopplung zwischen Exzitonen und Phononen ist von grundlegender Bedeutung, da sie letztlich die Strahlungseigenschaften von Halbleitermaterialien und ihre Bedeutung für verschiedene Anwendungen in der Optoelektronik, Magnetooptik, Spin- und z. B. der Valleytronik bestimmt. Das Verständnis und die Nutzung der Exziton-Phonon-Wechselwirkungen sind daher wesentlich, um einen Einblick in die Physik niedrigdimensionaler Halbleiter zu bekommen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung von Exziton-Phonon-Wechselwirkungen in selbstorganisierten Quantenpunkten und nicht-ummantelten und hBN-umschlossenen Übergangsmetall-Dichalkogenid-Monolagen mittels Photolumineszenz und inelastischer Laserlichtstreuungsspektroskopie. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit einer neuartigen Quanteninterferenz vom Fano-Typ in InGaAs/GaAs-Quantenpunkten zwischen den hellen und dunklen Exzitonenzuständen und einem Kontinuum aus zwei orthogonal-linear polarisierten akustischen Phononen. Die Interferenz kann mittels externer Faktoren beeinflusst werden, wie Stärke und Richtung des Magnetfelds sowie der optischen Pumpintensität. Die Fano-Wechselwirkung, die zwischen dem exzitonischen Spinübergang und dem akustischen Phononenkontinuum beobachtet wird, stellt eine wertvolle Untersuchungsmethode zur Detektion schwacher Kopplungen in Zwei-Niveau-Quantensystemen dar und bietet Einblicke in bisher verborgene, optisch inaktive Zustände in Halbleiternanostrukturen. Im zweiten Teil werden verschiedene Arten von Ladungsträger-Phonon-Wechselwirkungen in van der Waals-Heterostrukturen untersucht. In einer WSe2-Monolage führt die Elektron-Phonon-Wechselwirkung zwischen der Monolage und hBN-Schicht zu einer signifikanten Erhöhung der exzitonischen Emissionsintensität, die auf ein Doppelresonanzphänomen zurückgeführt wird. Zusätzlich werden Phonon-Polariton-Antikreuzungen an den neutralen und negativ geladenen Exziton-Resonanzen sowie eine Aufwärtskonversion eines dunklen Intervalley-Exzitons in ein helles Intravalley-Exziton aufgedeckt. Der mit dieser Aufwärtskonversion verbundene Energiegewinn wird durch eine Abkühlung der residenten Elektronen oder durch eine Exzitonenstreuung mit ⇤- oder K-valley-Phononen  beschrieben. Darüber hinaus wird die Feinstruktur der exzitonischen Komplexe in MoS2-Heterostrukturen durch die Anpassung der Elektronendotierung über die hBN-Dicke erforscht, und in der ternären Verbindung MoWSe2 werden beträchtlich erhöhte g-Faktoren ermittelt. Die Kontrolle und Manipulation der exzitonischen Eigenschaften und Wechselwirkungen, wie z. B. des exzitonischen g-Faktors und der komplexen Kopplungen mit Phononen, bieten Möglichkeiten für künftige Entwicklungen in der Spintronik und der Quanteninformationsverarbeitung. Die Ergebnisse verdeutlichen auch, dass die Wechselwirkungen zwischen Exzitonen und Phononen intensiv untersucht werden müssen, um das volle Potenzial dieser Halbleitermaterialien auszuschöpfen und ihre funktionellen und strukturellen Eigenschaften maßgeschneidert gestalten zu können.

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