Ultrafast charge carrier dynamics of ZnO thin films and BaTiO3-ZnO heterostructures

Abstract

Die ultraschnelle Ladungsträgerdynamik von ZnO-Dünnschichten und BaTiO3/ZnOHeterostrukturen wurde mit einer Kombination aus spektroskopischer Ellipsometrie und Femtosekunden-Pump / Superkontinuum-Probe-Experimenten untersucht. Durch Anregung unter- und oberhalb der Bandlücke (bei 400nm bzw. 266nm Wellenlänge) konnte ein vollständiges Bild der Dynamik von ZnO, insbesondere der Bildung und Rekombination von Exzitonen, erarbeitet werden. Auch für BaTiO3 konnte die Ladungsträgerdynamik nach Femtosekunden-Anregung ins Leitungsband aufgeklärt werden. Auf dieser Basis wurden grenzflächen-spezifische ultraschnelle Prozesse in BaTiO3/ZnO, insbesondere Transport von in ZnO angeregten Ladungsträgern über die Grenzfläche identifiziert. Weiterhin ergaben sich Hinweise, dass eine in BaTiO3 induzierte Polarisation die Ladungsträgerdynamik im ZnO beeinflusst. Das Verständnis der Dynamik wurde durch intensitäts- und schichtdickenabhängige Untersuchungen vervollständigt und erweitert.

The ultrafast charge carrier dynamics of ZnO thin films and double layered BaTiO3/ZnO heterostructures were studied applying a combined approach of spectroscopic ellipsometry and femtosecond pump - supercontinuum probe experiments. Using both sub and above bandgap excitation (400 nm and 266 nm pump wavelength, respectively), a comprehensive dynamical picture could be obtained for ZnO. In particular, the mechanisms of exciton formation and recombination via different channels were identified. Also for BaTiO3 a detailed understanding of the dynamics after femtosecond above band-gap excitation was obtained. On this basis, ultrafast dynamical processes related to the interface in BaTiO3/ZnO heterostructures were recognized. In particular, transport across the interface of charge carriers photo-excited in ZnO was found. In addition, hints could be perceived that an induced polarization in BaTiO3 is influencing the carrier dynamics in the ZnO layer. The understanding of dynamics was complemented and further augmented by intensity dependent and thickness dependent studies.