Optische Spektroskopie von Halbleiter-Nanomaterialien und Nanostrukturen
Optical Spectroscopy of Semiconductor Nanomaterials and Nanostructures

Modul PH2291

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2022/3 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

Ob die Lehrveranstaltungen des Moduls in einem spezifischen Semester angeboten werden, finden Sie im Abschnitt Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise unten.

verfügbare Modulversionen
WS 2022/3SS 2022WS 2021/2SS 2021WS 2019/20

Basisdaten

PH2291 ist ein Semestermodul in Deutsch oder Englisch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Fokussierungsrichtung Bildgebende Verfahren im M.Sc. Biomedical Engineering and Medical Physics
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Kern-, Teilchen- und Astrophysik
  • Komplementärer Spezialfachkatalog Biophysik

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
150 h 45 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2291 ist Jonathan Finley.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

This MSc level module focuses on advanced optical laser spectroscopy techniques and their application to probe the fundamental physical, electronic, vibrational and optical properties of semiconductors, novel heterointerfaces and quantum confined nanostructures. Modern laser systems are capable of generating intense, highly coherent electromagnetic fields that interact with the electrons in a solid. Such light-matter interactions give rise to a fascinating range of phenomena, ranging from incoherent responses such as stead-state and ultra-fast luminescence to coherent dynamical responses like four-wave mixing (FWM), optical pumping and multi-dimensional time-resolved spectroscopy having sub-picosecond temporal resolution. Besides facilitating the direct characterization of semiconductor materials, novel-heterointerfaces and nanoscale devices, these methods provide direct information on fundamental opto-electronic processes such as electron transfer, energy relaxation and thermalization, tunneling and transport dynamics and the interactions between electrons in the solid and diverse (e.g. vibrational, spin and magnetic) degrees of freedom in the nanoscale solids.  We will discuss both far-field optical spectroscopic methods, that operate over length scales beyond the diffraction limit, as well as nano-optical approaches capable of probing systems at the size of the electronic wavefunction. The aim of this module is to introduce MSc students to the state-of-the-art in optical spectroscopic methods as they are utilized in the condensed matter and semiconductor physics research communities. We will introduce the underlying physics of the various methods, describe how they are implemented experimentally in the lab and examine specific case studiesfrom the literature that have led to key breakthroughs in condensed matter and semiconductor physics. 

 

Specific topics will include:

 

Review of key-semiconductor materials and fundamental light-matter interactions (2 lectures)

 

Incoherent Optical Spectroscopy Methods (5 lectures)

  • Tools of the trade (CW and ultrafast-lasers, photo-detectors, monochromators and interferometers, signal detection / processing, cryogenics)
  • Photoluminescence
  • Nanoscale optical microscopy
  • Spectroscopy of single semiconductor nanostructures

 

Coherent (Non-Linear) Optical Spectroscopy (4 lectures)

  • Luminescence vs Reflection / Transmission Spectroscopy
  • Semiconductor Bloch Equations and Coherence Effects
  • Strong Excitation Effects
  • AC Stark Effect and Transient Spectral Oscillations
  • Examples (FWM, Photon echo, Resonance Fluorescence)
  • Decoherence and Phase Relaxation in NWs (exciton-exciton, e-X and exciton-phonon interactions
  • Raman and Brillouin Scattering

 

Ultrafast Optical Methods (3 lectures)

  • Regimes towards equilibrium (relaxation, thermalization and recombination)
  • Pump-Probe Spectroscopy Methods
  • Probing Exciton and Phonon Dynamics in Bulk, QWs and QDs
  • Exciton Dynamics (Pico and Femtosecond Studies)
  • Light-emission and optical interactions in nanoscale environments

Lernergebnisse

After successful completion of the module the students are able to:

1.Understand the rationale underlying incoherent and coherent optical spectroscopic methods as applied to commonly studied semiconductor-based materials and their nanostructures.


2.Explain the physics underpinning light-matter interactions in semiconductors, including: (a) incoherent luminescence spectroscopy, (b) methods to focus optical fields to the nanoscale,  (c) super-resolution methods to probe individual nanostructures, (d) coherent optical spectroscopy and (e) time-resolved methods with sub-picosecond temporal resolution.   

3. Sketch typical experimental set-ups used to perform different types of incoherent and coherent optical spectroscopy experiments and explain the operational principles of the methods. 


4. Discuss the different regimes of incoherent spectroscopy and the related phenomena that occur at weak, intermediate and strong optical excitation levels.


5.Explain the working principles of Raman and Brillouin light scattering experiments and give examples


6. Design optical experiments to probe specific characteristics of nanostructures, interpret optical data and judge experimental data presented in the scientific literature

Voraussetzungen

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert, dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen und das eigene analytisch-physikalische Denkvermögen gefördert.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Medienformen

Blackboard Lecture plus PPT presentations and discussion of research publications.  

Literatur

·      Semiconductor Optics, C. F. Klingshirn, Springer 1995, ISBN 978-3-642-28361-1

·     Luminescence Spectroscopy of Semiconductors, I. Pelant & J. Valenta, Oxford University Press 2012, ISBN 978-0-19-958833-6 

·      Ultrafast Spectroscopy of Semiconductors and Semiconductor Nanostructures, J. Shah, Springer 1999, ISBN- 978-3540642268

·      Spectroscopy of Semiconductors, W. Lu and F. Ying, Springer 2018. ISBN 978-3-319-94952-9

·      Principles of Nano-Optics, L. Novotny and B. Hecht , Cambridge University Press 2006, ISBN 978-0-521-83224-3

·      Laser Spectroscopy 2, Wolfgang Demtröder, Springer 2015, ISBN 978-3-662-44641-6

·  + Research Articles from the Literature

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

There will be an oral exam of 25 minutes duration. Therein the achievement of the competencies given in section learning outcome is tested exemplarily at least to the given cognition level using comprehension questions and sample calculations.

For example an assignment in the exam might be:

  • What governs the spatial resolution of far-field & near-field optical experiments?
  • Explain what happens when a coherent optical field with an energy below & above the bandgap propagates in a semiconductor?
  • Describe the principles of a coherent four-wave-mixing experiment - what information can it give you about a material ?
  • Here is a typical luminescence spectrum of a strongly excited indirect gap semiconductor at 20K - how do you expect it will change as you (a) increase the pumping density and (b) reduce the temperature ?
  • Explain what the terms "Raman active" and "IR active" mean ?
  • Describe the processes and timescales by which photo excited hot carriers relax and thermalise in a time resolved optical experiment

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Optische Spektroskopie von Halbleiter-Nanomaterialien und Nanostrukturen
Mo, 17.7.2023 bis 23:55 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin vor 16.09.2023. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date before 2023-Sep-16. bis 30.6.2023 (Abmeldung bis 16.7.2023)
Mo, 18.9.2023 bis 23:55 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin zwischen 18.09.2023 und 21.10.2023. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date between 2023-Sep-18 and 2023-Oct-21. bis 17.9.2023
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