Einen neuartigen Quantenzustand an der Grenzfl\u00e4che zwischen „2D“- und organischem Halbleitern haben Forschende mit Marburger Unterst\u00fctzung entdeckt. „Hybride Exzitonen“ vereinen das Beste aus zwei Welten.
\n„Schneller, effizienter, vielseitiger“: Das sind die Erwartungen an Technologien, die in Zukunft Energie erzeugen und Informationen verarbeiten. Wie k\u00f6nnen diese Erwartungen erf\u00fcllt werden? Ein Forschungsteam der Universit\u00e4ten G\u00f6ttingen und der Philipps-Universit\u00e4t Marburg, der Humboldt-Universit\u00e4t zu Berlin und der Universit\u00e4t Graz hat nun einen Durchbruch erzielt: Die Forschungsgruppen um den Marburger Halbleiter-Physiker Prof. Dr. Marcel Reutzel haben zwei Materialtypen –
\neinen organischen und einen zweidimensionalen Halbleiter – miteinander kombiniert und deren gemeinsame Reaktion auf Licht untersucht.
\nDaf\u00fcr nutzten sie Photoelektronenspektroskopie und die „Vielteilchen-St\u00f6rungstheorie“. So konnten sie grundlegende Prozesse wie die Energie\u00fcbertragung an der Grenzfl\u00e4che zwischen den Materialien im Bruchteil einer Sekunde beobachten und beschreiben. Die Kombination dieser verschiedenen Halbleiter mit ihren jeweiligen Eigenschaften ist vielversprechend f\u00fcr die Entwicklung neuer Technologien, etwa modernen Tandem-Solarzellen. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin „Nature Physics“ ver\u00f6ffentlicht.
\n„Die Physik in Marburg ist ein idealer Standort derartige Forschung voranzutreiben: Wir haben Zugriff auf und entwickeln modernste Methoden der Halbleiter-Spektroskopie und k\u00f6nnen so produktiv gemeinsam mit Kolleg*innen aus Marburg und aller Welt zusammenarbeiten“, sagte Prof. Dr. Marcel Reutzel. „Im Marburger Zentrum mar.quest (Marburg Center for Quantum Materials and Sustainable Technologies) b\u00fcndeln wir genau diese St\u00e4rken, um quantenphysikalische Grundlagenforschung gezielt in Richtung zuk\u00fcnftiger Technologien weiterzuentwickeln.“ Der Physiker Reutzel ist 2025 von der Uni G\u00f6ttingen nach Marburg gewechselt und baut derzeit seine Arbeitsgruppe innerhalb von mar.quest aus.
\nIn dem Experiment kam eine fortschrittliche Form der Photoelektronenspektroskopie zum Einsatz. Dabei handelt es sich um die Impulsmikroskopie. Die Forschenden visualisierten damit die Anordnung der Elektronen im 2D-Halbleiter und im organischen Halbleiter, w\u00e4hrend diese elektronische Struktur durch Licht ver\u00e4ndert wurde. So entstand ein „Film“, der zeigt, wie Exzitonen zun\u00e4chst durch Energie angeregt und dann in neue Exziton-Arten umgewandelt werden.
\nExzitonen sind quantenmechanische Teilchen. Jedes besteht aus einem Elektron, das an ein Loch – dem physikalischen Vorgang seiner Entstehung nach auch Elektronfehlstelle genannt -gebunden ist. Sie entstehen in Halbleitern durch Lichtabsorption, das hei\u00dft durch die Aufnahme von Energie aus Lichtstrahlen. Deshalb spielen sie eine zentrale Rolle in optoelektronischen Bauteilen wie Solarzellen und Leuchtdioden (LEDs). In Abh\u00e4ngigkeit von ihren Eigenschaften werden verschiedene Arten unterschieden.
\nDie Forschenden konnten genau sehen, wie Energie absorbiert und \u00fcber die Grenzfl\u00e4che zwischen dem 2D-Halbleiter und dem organischen Halbleiter verteilt wird. Das gelang ihnen mit Hilfe des einzigartigen spektroskopischen Fingerabdrucks jeder Exziton-Art, den sie mit Unterst\u00fctzung von Berechnungen nach der Vielteilchen-St\u00f6rungstheorie der Verteilung der Exzitonen im Material zuordnen konnten. So fanden sie heraus, dass die Absorption eines Photons in der 2D-Schicht zu einer Energie\u00fcbertragung in die organische Schicht f\u00fchren kann.
\nDas geschieht in weniger als 0,0000000000001 Sekunden. Das ist einem Zehn-Billionstel (10-13) einer Sekunde. „Der Schl\u00fcssel zu dieser ultraschnellen Energie\u00fcbertragung ist die Bildung von ,hybriden Exzitonen‘, f\u00fcr die wir nun ein markantes experimentelles Merkmal gefunden haben“, erkl\u00e4rte Prof. Dr. Stefan Mathias von der Universit\u00e4t G\u00f6ttingen.
\nJe nach Material verhalten sich Exzitonen unterschiedlich: In organischen Halbleitern sind sie typischerweise unbeweglich und somit an einen Ort gebunden. In 2D-Halbleitern bewegen sie sich dagegen frei durch das gesamte Material. An einer Grenzfl\u00e4che zwischen diesen beiden Halbleitern kann jedoch etwas Neues entstehen: Hier k\u00f6nnen sich sowohl die Eigenschaften der zwei Materialien als auch die der Exzitonen vermischen, wodurch neuartige hybride Exzitonen entstehen. Genau das haben die Forschenden in ihrem Experiment an der Grenzfl\u00e4che zwischen dem 2D-Halbleiter „WSe2“ und dem organischen Halbleiter „PTCDA“ beobachtet.
\n„Unsere Ergebnisse erm\u00f6glichen es uns, die grundlegenden Prozesse hinter der Energie- und Ladungs\u00fcbertragung in Halbleiter-Nanostrukturen besser zu verstehen und effizient zu nutzen“, erkl\u00e4rte Erstautorin Dr. Wiebke Bennecke von der Universit\u00e4t G\u00f6ttingen. „Das ist ein entscheidender Schritt f\u00fcr die Entwicklung effizienter Solarzellen, ultraschneller optoelektronischer Komponenten und neuartiger Anwendungen in der Quantentechnologie.“ Au\u00dferdem f\u00fcgte sie hinzu: „Anl\u00e4sslich des 100. Jubil\u00e4ums der Quantenmechanik zeigen unsere Ergebnisse eindrucksvoll deren Relevanz f\u00fcr die Technologie der Zukunft.“<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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