Marburger Physiker haben aufgeklärt, wie Legierungen die optisch-elektrischen Eigenschaften von 2D-Halbleitern verändern. Unordnung lässt Monoschichten anders leuchten.
Mischungen mehrerer Elemente erhöhen die Unordnung in hauchdünnen Halbleitern, wobei sich deren optisch-elektrische Eigenschaften verändern. Das hat eine Forschungsgruppe aus der Physik herausgefunden, indem sie Halbleiter mittels Photolumineszenz untersuchte. Das Team um Prof. Dr. Martin Koch von der Philipps-Universität berichtet über seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Advanced Energy Materials“.
Das Legieren von Halbleitern wird häufig verwendet, um die gewünschten Materialeigenschaften für Geräteanwendungen zu erhalten. „Dies ermöglicht eine breite Palette von möglichen Anwendungen in der Nanoelektronik und Optoelektronik“, erklärte Kochs Mitarbeiter Dr. Hilary Masenda als Leitautor des wissenschaftlichen Aufsatzes. „Der Preis dafür ist die zusätzliche Unordnung, die durch das Legieren verursacht wird.“
Das Team untersuchte hauchdünne Mischkristalle. Diese sogenannten „MD-Monolagen“ bestehen aus Übergangsmetallen wie Wolfram oder Molybdän sowie dem Element Selen, einem Chalkogen alsErzbildner. Dabei ist eine Schicht aus Übergangsmetall-Atomen zwischen zwei Schichten aus Selen eingebettet.
„Solche zweidimensionalen Materialien besitzen ein großes Anwendungspotenzial für extrem dünne elektronische Bauteile“, legte Koch dar, der die Forschungsarbeiten leitete. Um zu optimierten Prozessen zu gelangen, müsse man aber die Unordnung berücksichtigen.
Was passiert, wenn das Material nicht nur eines der Übergangsmetalle enthält, also entweder Molybdän oder Wolfram, sondern beide Elemente? Um das herauszufinden, maß die Forschungsgruppe erstmals die Photolumineszenz in einer solchen TMD-Legierung. Die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die von Monolagen mit nur einem Übergangsmetall-Element stammen.
„Wieviel Unordnung in einem Material herrscht, sieht man an der Lumineszenz“, erläuterte Koch. Dabei zeigt sich, dass der Halbleiter andere optisch-elektronische Eigenschaften aufweist, wenn er aus drei anstelle von zwei Elementen besteht. Computersimulationen legen nahe, dass das auf zufälligen Unterschieden in der Verteilung der chemischen Bestandteile beruht.
„Die Ladungsträger, die einen elektrischen Strom in dem Material erzeugen, haben eine andere Beweglichkeit, wenn mehr Unordnung herrscht“, führte Koch aus. „In einer sanften Hügellandschaft fährt man ja auch anders als in einer Salzwüste!“
Koch lehrt Physik an der Philipps-Universität und leitet die Arbeitsgruppe „Halbleiterphotonik“. Erstautor Dr.Hilary Masenda verstärkt Kochs Arbeitsgruppe derzeit als Georg-Forster-Forschungsstipendiat der Alexander-von-Humboldt-Stiftung.
Neben ihm und seinen Mitarbeitern beteiligten sich auch der Marburger Physiker Prof. Dr. Florian Gebhardmit seinem Team sowie der Kölner Chemiker Prof. Dr. Klaus Meerholz an der Fachveröffentlichung. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und weitere Fördereinrichtungen haben die wissenschaftliche Arbeit unterstützt.
* pm: Philipps-Universität Marburg