Optische Eigenschaften von Halbleitern und deren Nanostrukturen
Optics of Semiconductors and their Nanostructures

Modul PH2262

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.

Basisdaten

PH2262 ist ein Semestermodul in Englisch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

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

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

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 50 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2262 ist Jonathan Finley.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

This course will provide the student with an in-depth understanding of the optical properties of bulk semiconductors, semiconductor heterostructures and their nanostructures. We will concentrate on key materials, usually tetrahedrally coordinated materials such as group IV elements Si and Ge, the III-V compound semiconductors such as GaAs, the IIb-VI semiconductors such as CdS, ZnO or ZnSe, the Ib-VII materials such as the Cu halides and hexagonally coordinated materials such as grou-III nitrides, transition metal dichalcogenides and graphene. Our aim will be to connect fundamental physics with the practicalities of modern spectroscopic methods. We will explore the impact of external magnetic, electric and strain fields on the optical response of semiconductor materials and discuss bulk and microcavity exciton polaritons, for which Bose-Einstein condensation was observed a little over a decade ago. This will provide the student with an understanding for how advanced photonic devices, nanolasers and tailored optical non-linearities can possibly be used for future, all optical, routes towards information processing.

Introduction and Review (1-lecture)
• Maxwell’s equations in matter, linear optical response
• Boundary conditions and Fresnel’s formulae
• Birefringence, dichroism and optical activity

Experimental techniques for optical spectroscopy (2-lectures)
• Emission and excitation methods
• Excitation sources
• Monochromators, Spectrographs and Detectors
• Fourier Transform Spectroscopy

Kinetic description of luminescence processes (1-lecture)
• Radiative and non-radiative recombination, quantum yield
• Mono-molecular and bimolecular processes

Quasiparticles (Excitons, Biexcitons and Trions – 2 lectures)
• Wannier and Frenkel Excitons
• Impact of dimensionality (Excitons in Quantum Wells, Wires and Dots)
• Biexcitons and Trions
• Bound exciton complexes
• Excitons in disordered systems

Participation of lattice vibrations (2-lectures)
• Electron-Phonon interactions
• Reflection, Raman and Brillouin scattering
• Participation of phonons in optical processes
• Phonons in alloys and localized modes at defects and surfaces
• Phonon dynamics

High-excitation effects and non-linear optics (2-lectures)
• Beyond linear susceptibility
• Key chi(2) and chi(3) processes
• Intermediate density regime (two-photon processes, X-X interactions)
• Optical or AC Stark effect
• Excitonic Bose-Einstein Condensation
• Electron-Hole Plasma

Stimulated emission and laser processes (2-lectures)
• Excitonic Processes
• Electron-Hole Plasmas
• Cavity and Random lasing
• Stimulated emission in low-dimensional structures
• Silicon nano photonics and current-trends

Time-resolved and coherent spectroscopy methods (2-lectures)
• Basic Time Constants
• Decoherence and Phase Relaxation
• Quantum Coherence, Coherent Control and Non-Markovian Decay
• Transport Properties
• Interband Recombination
• Four-Wave and Six-Wave Mixing

Lernergebnisse

After attending this MSc level course, the student will obtain an in-depth understanding of the optical properties of semiconductors, such as the spectrum of optical transmission, reflection and luminescence or, alternatively, the complex dielectric function spanning the entire optical regime from the infrared, through the visible to the near-ultraviolet region of the electromagnetic spectrum.

Voraussetzungen

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

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

Lern- und Lehrmethoden

Class Lecture (2 SWS per week) combined with 1 SWS (Exercises, Tutorial, Practical Discussion)

Medienformen

Frontal presentation, e-media, PPT and videos.

Literatur

Optical Properties of Solids, A. M. Fox. Oxford Master Series in Physics, (2010)

Semiconductor Optics, C. F. Klingshirn, 4th Edition, Springer (2012)

Microcavities, A. V. Kavokin, J. J. Baumberg, G. Malpuech and F.P. Laussy, Oxford University Press (2012)

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

In einer schriftlichen Prüfung von 60 Minuten Dauer wird das Erreichen der Lernergebnisse durch Verständnisfragen und Beispielaufgaben bewertet.

Die Prüfung kann in Übereinstimmung mit §12 (8) APSO auch mündlich abgehalten werden, in diesem Fall ist der Richtwert für die Prüfungsdauer 25 Minuten.

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 Eigenschaften von Halbleitern und deren Nanostrukturen
Mo, 5.2.2018 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin vor 20.3.2018. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date before 2018-03-20. bis 15.1.2018
Di, 20.3.2018 Dummy-Termin. Wenden Sie sich zur individuellen Terminvereinbarung an die/den Prüfer(in). Anmeldung für Prüfungstermin zwischen 20.3.2018 und 14.4.2018. // Dummy date. Contact examiner for individual appointment. Registration for exam date between 2018-03-20 and 2018-04-14. bis 19.3.2018

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.