Authors:	Riehn, Eric J.
Title:	Photokathoden mit internem DBR-Reflektor als Quellen hochintensiver spinpolarisierter Elektronenstrahlen
Online publication date:	9-Nov-2011
Year of first publication:	2011
Language:	german
Abstract:	Die Erzeugung von Elektronenstrahlen hoher Intensität (I$\geq$2\,mA) und hoher Spinpolarisation (P$\geq$85\%) ist für die Experimente an den geplanten \glqq Linac Ring\grqq\ Electron--Ion--Collidern (z.B. eRHIC am Brookhaven National Laboratory) unabdingbar, stellt aber zugleich eine enorme Herausforderung dar. Die Photoemission aus \ce{GaAs}--basierten Halbleitern wie z.B. den in dieser Arbeit untersuchten GaAlAs/InGaAlAs Quanten--Übergittern zeichnet sich zwar durch eine hohe Brillanz aus, die geringe Quantenausbeute von nur ca. 1\% im Bereich maximaler Polarisation erfordert jedoch hohe Laserintensitäten von mehreren Watt pro $\text{cm}^{2}$, was erhebliche thermische Probleme verursacht. rnrnIn dieser Arbeit konnte zunächst gezeigt werden, dass die Lebensdauer einer Photokathode mit steigender Laserleistung bzw. Temperatur exponentiell abnimmt. Durch Einbringen eines DBR--Spiegels zwischen die aktive Zone der Photokathode und ihr Substrat wird ein Großteil des ungenutzten Laserlichts wieder aus dem Kristall herausreflektiert und trägt somit nicht zur Erwärmung bei. Gleichzeitig bildet der Spiegel zusammen mit der Grenzfläche zum Vakuum eine Resonator--Struktur aus, die die aktive Zone umschließt. Dadurch kommt es für bestimmte Wellenlängen zu konstruktiver Interferenz und die Absorption in der aktiven Zone erhöht sich. Beide Effekte konnten durch vergleichenden Messungen an Kathoden mit und ohne DBR--Spiegel nachgewiesen werden. Dabei ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit der Vorhersage eines Modells, das auf der dielektrischen Funktion der einzelnen Halbleiterstrukturen beruht. Von besonderer praktischer Bedeutung ist, dass die DBR--Kathode für einen gegebenen Photoemissions\-strom eine um einen Faktor $\geq$\,3{,}5 kleinere Erwärmung aufweist. Dies gilt über den gesamten Wellenlängenbereich in dem die Kathode eine hohe Strahlpolarisation (P$>$80\%) produzieren kann, auch im Bereich der Resonanz.rnAus zeitaufgelösten Messungen der Ladungsverteilung und Polarisation lassen sich sowohl Rückschlüsse über die Transportmechanismen im Inneren einer Kathode als auch über die Beschaffenheit ihrer Oberfläche ziehen. Im Rahmen dieser Dissertation konnte die Messgeschwindigkeit der verwendeten Apparatur durch den Einbau eines schnelleren Detektors und durch eine Automatisierung der Messprozedur entscheidend vergrößert und die resultierende Zeitauflösung mit jetzt 1{,}2 Pikosekunden annähernd verdoppelt werden.rnrnDie mit diesen Verbesserungen erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass sich der Transport der Elektronen in Superlattice--Strukturen stark vom Transport in den bisher untersuchten Bulk--Kristallen unterscheidet. Der Charakter der Bewegung folgt nicht dem Diffusionsmodell, sondern gibt Hinweise auf lokalisierte Zustände, die nahe der Leitungsbandunterkante liegen und Elektronen für kurze Zeit einfangen können. Dadurch hat die Impulsantwort einer Kathode neben einem schnellen Abfall des Signals auch eine größere Zeitkonstante, die selbst nach 30\,ps noch ein Signal in der Größenordnung von ca. 5\textperthousand\ der Maximalintensität erzeugt. The generation of electron currents of high intensity (I$\geq$2\,mA) and high spin polarization (P$\geq$85\%) is challenging but essential for the experiments at planned \glqq Linac Ring\grqq\ Electron--Ion--Colliders (e.g. eRHIC at Brookhaven National Laboratory). Photoemission from \ce{GaAs}--based semiconductors like the investigated GaAlAs/InGaAlAs--Superlattices is characterized by high brilliance but the low quantum efficiency of only about 1\% in the region of maximum polarization demands for laser intensities of several Watts per $\text{cm}^{2}$. Excited electrons that are not emitted, recombine and heat the crystal in the case of non-radiative recombination.rnrnIn this work we were able to show that the cathode's lifetime decreases with increasing laser power respectively temperature. Inserting a DBR--mirror between the active layer and the substrate, prevents a major amount of unused laser light from contributing to the heating of the sample. In addition this mirror forms, together with the abrupt change in the refractive index at the crystal--vacuum interface, a resonator--like structure that surrounds the active layer.rnTherefore there is constructive interference at dedicated wavelengths and the absorption within the active layer is enhanced. The high reflectivity of the DBR with the resultant suppressed heating and the enhancement in quantum efficiency were both proved in comparative measurements taken on cathodes with and without DBR--mirror. The results are in good agreement with calculations from a model that is based on the dielectric functions of the semiconductor components. It is of great practical use that for a given photo emission current the heating of a DBR--cathode is reduced by a factor of $\geq$\,3{.}5. This is true for the whole wavelength range in which the cathodes show a high polarization (P$>$80\%) even at the wavelength of the resonance.rnrnBased on time resolved measurements of the charge distribution and the polarization it is possible to draw conclusions of the transport mechanisms inside the crystal. Within this work, the measuring speed could be increased by replacing the old detector by a faster one and automating the measuring processes. Thereby the time resolution of the apparatus was improved by a factor of nearly 2 down to 1{.}2\,ps.rnrnThe results revealed that the common understanding of electron motion in semiconductors is invalid for the increasingly used class of superlattice structures. Localized states near the conduction band minimum seem to capture the excited electrons for a short time. This causes the pulse response to have an additional slower slope with an intensity of the order of about 5\textperthousand\ even 30\,ps after its maximum.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2102
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-29171
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	122 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen