Details

Autor(en) / Beteiligte

• Podzimski, Reinold Ephraim
• Meier, Torsten[Akademischer Betreuer]
• Förstner, Jens[Akademischer Betreuer]
• Gerstmann, Uwe[Akademischer Betreuer]
• Meier, Cedrik[Akademischer Betreuer]

Titel

Shift currents in bulk GaAs and GaAs quantum wells analyzed by a combined approach of k.p perturbation theory and the semiconductor Bloch equations : = Shiftströme im GaAs Festkörperkristall und GaAs Quantenfilm beschrieben durch eine kombinierte Methode von k.p Störungstheorie und Halbleiter-Bloch-Gleichungen

Ort / Verlag

Paderborn

Erscheinungsjahr

[2016]

Verknüpfte Titel

Beschreibungen/Notizen

• Tag der Verteidigung: 12.12.2016
• ger: Eine vereinheitlichte Theorie von k.p Störungtheorie und den Halbleiter-Bloch-Gleichung wird benutzt für die Simulation von Photoströmen in GaAs-Systemen. Der Fokus der Arbeit ist die theoretische Beschreibung und Analyse des sogenannten Shiftstroms, ein mikroskopischer Strom erzeugt durch die räumliche Bewegung von angeregten Ladungsträgern. Mit Hilfe bekannter Eigenschaften des Shiftstroms wird die Theorie am Beispiel eines GaAs Festkörperkristalls getestet. Der nicht störungstheoretische Ansatz der Halbleiter-Bloch-Gleichungen erlaubt die Analysis von linearen und nichtlinearen Eigenschaften des Shiftstroms.Der Einfluss von exzitionischen Effekten auf den Shiftstrom wird für einen dreidimensionalen Kristall untersucht. Der numerische Aufwand für die Einbindung der Coulombwechselwirkung wird häufig durch Näherungen reduziert, diese sind jedoch für den Shiftstrom nicht möglich. Die Einbindung der Coulombwechselwirkung bedarf der Entwicklung eines neuen, nicht uniformen Gitters. Sowohl die Konvergenzeigenschaften und die Genauigkeit des Gitters als auch die simulierten Shiftstrom-Resultate werden vorgestellt und diskutiert.Eine neue Methode wird vorgestellt, die k.p Störungstheorie mit Realraum-Wellenfunktionen aus Dichtefunktionaltheorie kombiniert. Diese ermöglicht die Simulation von Shiftströmen im Realraum mit atomarer Auflösung.
• eng: A combined theory of k.p-perturbation theory and the semiconductor Bloch equations (SBE) is used to simulate photo currents in GaAs based systems. The focus lies on the so-called shift current, a microscopic current caused by the spatial motion of excited carriers inside the crystal structure. The validity of the combined theory is tested for the example of bulk GaAs using known symmetry properties of shift currents. Using the SBE, which allow for a non-perturbative and k-resolved analysis of shift currents, various linear and non-linear properties of shift currents are investigated, in particular, signatures of Rabi-oscillations in bulk and the influence of band-mixing in quantum well systems.Excitonic effects in shift currents are investigated for a full three-dimensional band structure. The inclusion of Coulomb interaction is numerically demanding and normally done using approximations, e.g., a parabolic band structure. Such approximations cannot be applied for shift currents.To deal with this numerical challenge, the development of a new non-uniform grid is necessary. The convergence and accuracy of the new grid as well as the obtained results for the exciton binding energy and the shift current are presented and discussed.A novel method is developed which consists of combining k.p-perturbation theory with real-space wave function obtained from density functional theory.The method allows to simulate shift currents in real space with atomic resolution.