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B3: Optische Untersuchungen zur dielektrischen Funktion und ihrer Dynamik an oxidischen Heterostrukturen

Mit Hilfe linearer und nichtlinearer optischer Methoden soll die Dynamik von Gitter- und elektronischen Anregungen in Heterostrukturen, die aus pyroelektrischen, ferroelektrischen und ferro magnetischen Schichten, z.B. ZnO, BaTiO₃ und ZnCoO oder Fe sowie verwandten Substanzen bestehen, untersucht werden. Zunächst sind lineare optische Untersuchungen mittels Ellipsometrie im Spektralbereich (0,04 – 9,5) eV sowie Raman-Spektroskopie an epitaktischen Schichten und Heterostrukturen geplant. Um dabei das Raman-Spektrum von einzelnen Schichten in den Heterostrukturen gezielt zu untersuchen, soll ein Raman-Messplatz mit Anregungslicht im ultravioletten Spektralbereich aufgebaut werden. Mit beiden Methoden, Raman-Spektroskopie und Ellipsometrie, sollen die optischen, elektro-optischen und magneto-optischen Eigenschaften dieser Heterostrukturen untersucht werden. Dazu zählen Bandstruktur, Exzitonen, Gitterschwingungen und freie Ladungsträger. Diese Eigenschaften hängen von der Strukturqualität der Schichten, den Störungen der Kristalle und von elektronischen Anregungseffekten ab.

Darauf aufbauend sollen zeitaufgelöste, zumeist nichtlineare optische Experimente durchgeführt werden. Es sind fs-Pump-Probe-Experimente mit spektral breitbandigen Abfrageimpulsen geplant, aus denen Informationen über z.B. die Ladungsträgerdynamik oder die Lebensdauer der Exzitonen und anderer Anregungszustände gewonnen werden können. Für die detaillierte Auswertung der Ultrakurzzeit-Experimente sind die aus der Ellipsometrie gewonnenen dielektrischen Funktionen der untersuchten Schichten unbedingt notwendig; umgekehrt kann die Bedingung der Selbstkonsistenz der so gewonnenen modellmäßigen Beschreibung diese entweder bestätigen oder Hilfe zu deren Verfeinerung sein. Insgesamt ist nur durch die Kombination aller Methoden eine eindeutige Zuordnung der beobachteten ultraschnellen Dynamik zu einzelnen physikalischen Prozessen zu gewährleisten.

Mittels linearer elektro-optischer Untersuchungen soll die Wechselwirkung zwischen einzelnen Materialien, insbesondere die Kopplung der gitterfesten mit einer ferroelektrischen Polarisation untersucht werden. Komplementär zu diesen Messungen werden elektrische Messungen an den zu untersuchenden Heterostrukturen im Projekt A2 durchgeführt. Für das physikalische Verständnis neuer Effekte ist die Untersuchung der Korrelationen zwischen den elektrischen Leitungsmechanismen und den optischen Eigenschaften in Zusammenarbeit mit Projekt A2 erforderlich. Aus Zweifarben-Pump-Probe-Experimenten mit vollständiger Polarisationsanalyse soll die Dynamik des Schaltverhaltens der ferroelektrischen Polarisation beobachtet werden. Konkret soll sowohl das Verschwinden einer vorhandenen Polarisation durch einen laserinduzierten Temperatursprung über die Curie-Temperatur beobachtet werden, als auch das Umschalten einer Polarisation durch schnelles Anlegen einer elektrischen Spannung, letzteres idealerweise ebenfalls optisch über Erzeugung von THz-Impulsen (optische Gleichrichtung).

Die hier angewandten Untersuchungsmethoden sind auf keine bestimmte Materialklasse beschränkt. Damit können auch solche Materialien und Schichtsysteme untersucht werden, die in anderen Teilprojekten von Bedeutung sind. Die Anwendung und Ausweitung der Methoden auf Systeme anderer Teilprojekte ist geplant.