Über den Einfluss von Vielteilchen-Streuung auf die Intersubband-Dynamik in niederdimensionalen Halbleitersystemen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Intersubband-Dynamik in niederdimensionalen Halbleitersystemen. Mit Hilfe der Heisenbergschen Bewegungsgleichung werden verschiedene Vielteilchen-Effekte untersucht, insbesondere die Elektron-Elektron- und die Elektron-Phonon Wechselwirkung. Die Untersuchungen beinhalten Intersubbandübergange in Quantenfilmen, die Volumen-Oberflächendynamik in Silizium, sowie Intersublevelübergänge in einem Quantenpunkt. Zunächst wird ein n-dotierter GaAs/AlGaAs Quantenfilm im thermischen Gleichgewicht betrachtet und der Einfluss der Coulomb-Wechselwirkung der Ladungsträger auf das System im Grundzustand berechnet. Dazu wird die sonst übliche Markov Näherung in zweiter Ordnung störungstheoretisch erweitert, so dass Gedächtniseffekte erster Ordnung mitgenommen werden. Diese führen zu Coulomb-induzierten Korrelationen zwischen den Ladungsträgern im Grundzustand, welche eine Renormierung der elektronischen Gleichgewichtsverteilung bewirken. Der Effekt zeigt sich im Absorptionsspektrum als spektrale Verbreiterung der Linienbreite für tiefe Temperaturen (T<50 K). Als nächstes werden Nichtgleichgewichtsprozesse behandelt. Mit dem Augenmerk auf geeignete Detektionsschemata wird hier eine leistungsfähige Methode für die Detektion von ultraschnellen Prozessen in Intersubband Quantenfilmen vorgestellt, die zweidimensionale Fourierspektroskopie. Durch eine Folge von Pulsanregungen wird das resultierende Signal einer Probe bezüglich zweier Zeiten fouriertransformiert. Das daraus ermittelte zweidimensionale Frequenzspektrum beinhaltet Informationen über verschiedene Prozesse die in der Probe ablaufen. Um diese physikalischen Prozesse, welche von den Pulsfolgen und deren Phase abhängig sind, zu verstehen und zu separieren, wird hier eine diagrammatische Technik zur Betrachtung der makroskopischen Polarisation eingeführt, die sogenannten doppelseitigen Feynmandiagramme. Am Beispiel von Elektron-Phonon-induzierter Relaxationsdynamik wird das zweidimensionale Photon-Echo Signal des Intersubbandsystems berechnet. Hier zeigt sich, dass die zweidimensionalen Spektren detaillierte Informationen im Bezug auf korrelierte Frequenzen und somit auf die Verteilung im Impulsraum liefern. Eine quasi "natürliche" zweidimensionale Struktur ist die Oberfläche eines beliebigen Volumenhalbleiters. In dieser Arbeit wird die Volumen-Oberflächendynamik in Silizium unter dem Einfluss der Elektron-Elektron-, sowie Elektron-Phonon Wechselwirkung berechnet. Aufgrund der numerisch nicht durchführbaren Behandlung der vollen Quantenkinetik, werden von dieser ausgehend Relaxationsratengleichungen abgeleitet, welche allgemein für Langzeitdynamiken, z.B. in Lasern, genutzt werden. Im Gegensatz dazu wird die Dynamik longitudinal optischer Phononen mit Hilfe der reduzierten Peierls Gleichung berechnet, welche noch quantenkinetische Effekte enthält. Die numerischen Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen, woraus hervorgeht, dass die Kopplung der Elektronen an die dominante longitudinal optische Phononmode zu einer verlängerten Lebenszeit heißer Ladungsträger führt. Die Restriktion der Ladungsträgerbewegung in drei Dimensionen führt zu Quantenpunkten. Hier liegt das Hauptaugenmerk auf den Intersublevelübergängen im Leitungsband unter dem Einfluss longitudinal optischer Phononen auf die Elektronen. Aufgrund der starken nichtdiagonalen Kopplung zwischen Elektronen und Phononen kann hier keine störungstheoretische Methode angewendet werden. Stattdessen wird eine Induktionsmethode für die Berechnung der Bewegungsgleichungen verwendet, welche die Elektron-Phonon Kopplung in beliebig hoher Ordnung behandelt. Die Richtigkeit des Modells wird zunächst an den Grenzfällen bekannter analytischer Modelle geprüft. Anschließend werden Absorptionsspektren berechnet, welche deutliche Signaturen von diagonaler und nicht-diagonaler starker Kopplung aufweisen.This work is focused on the intersubband dynamics in low-dimensional semiconductor nanostructures. Using the Heisenberg equation of motion approach, theoretical investigations are made about the influence of many-particle interactions on the carrier dynamics. In particular, the role of the electron-electron- and electron-phonon interaction is studied in intersubband quantum wells, bulk-surface dynamics and intersublevel quantum dots. In an n-doped GaAs/AlGaAs quantum well system, the effect of the electron-electron interaction on the equilibrium distribution function is examined. Going beyond the second-order Markov approximation, it can be seen that Coulomb-induced correlations in the ground state lead to a renormalization of the equilibrium function, visible as a spectral broadening of the intersubband absorption spectra for low temperatures (T