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Modifizierte Mikrodiskresonatoren mit Siliziumnanokristallen als aktives Medium
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2023
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 14.06.2023
ger: Im Gegensatz zu Silizium als Volumenmaterial weisen Siliziumnanokristalle ein starkes Photolumineszenzsignal durch Größenquantisierungseffekte auf. Ziel dieser Arbeit ist es, diese Photolumineszenz mit verschiedenen Ansätzen zu manipulieren. Dazu werden zuerst Bauelemente untersucht, die die Eigenschaften von Mikrodisks und photonischen Kristallen kombinieren. Diese Hybridstrukturen weisen im Gegensatz zu Mikrodisks eine senkrechte Emission auf und profitieren von einer Umverteilung der Modenenergien durch die Ausbildung einer photonischen Bandlücke. Die Position der Bandlücke kann theoretisch über die Modellierung von Nanostegen mit Hilfe der Finite-Integral-Methode erfolgen und weist eine gute Übereinstimmung zum Experiment auf. So zeigen die Photolumineszenzspektren der Hybridstrukturen innerhalb der Bandlücke eine reduzierte Modenintensität,was auf die Unterdrückung der Lichtausbreitung aufgrund der Bandlücke hindeutet. Außerhalb der Bandlücke wird bei einer größeren Wellenlänge jeweils eine oder mehrere Moden verstärkt. Die Modenpositionen lassen sich neben dem Diskradius durch die Variation der Lochgröße, des Abstandes der Löcher zum Rand und durch die Lochanzahl anpassen. Dabei ergeben sich sowohl in der Simulation, als auch im Experiment Blauverschiebungen für größere Parameter bzw. mehr Löcher, wobei der Lochradius einen größeren Einfluss hat, als der Abstand der Löcher zum Rand. Für die Gütefaktoren zeigt sich in Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment, dass die maximalen Gütefaktoren für einen Abstand der Löcher vom Rand zwischen g=200 nm und g=270 nm vorliegen. Diese Hybridstruktur eignet sich nicht als Halbleiterlaser, es kann allerdings gezeigt werden,dass sich selbst bei geringen Anregungsleistungen von 0,08 W noch Moden...
eng: In contrast to silicon as a bulk material, silicon nanocrystals exhibit a strong photoluminescence signal due to size quantization effects. The aim of this work is to manipulatethe photoluminescence of the silicon nanocrystals using different approaches. Therefore,devices that combine the properties of microdisks and photonic crystals are first investigated. These hybrid structures, unlike microdisks, exhibit perpendicular emission and benefit from a redistribution of mode energies through the formation of a photonic bandgap. The position of the band gap can be theoretically obtained by modeling nanobeams using the finite integral method and shows good agreement with the experiment. Thus, the photoluminescence spectra of the hybrid structures inside the band gap show reduced mode intensity, indicating the suppression of light propagation due to the band gap. Outside the band gap, at a longer wavelength, one or more modes are enhanced in each case. In addition to the disk radius, the mode positions can be adjusted by varying the hole size, the distance of the holes from the edge, and by the number of holes. In the simulation as well as in the experiment blue shifts for larger parameters or more holes are found, whereby the hole radius has a larger influence than the distance of the holes to the edge. For the quality factors, agreement between simulation and experiment shows that the maximum quality factors occur for a distance of the holes from the edge between g=200 nm and g=270 nm. The hole radius does not affect the quality factor. This hybridstructure is not suitable as a semiconductor laser, but it can be shown that modes are still formed even at low excitation powers of 0.08 W. As a modification to this structure, gear structures are fabricated in which all modes, with a laser threshold of 35 W, can be excited to lase. Shifting the mode positions in this compo++