Ein Team aus der Physik fand ein unerwartetes Verhalten von „Quasiteilchen“ in ultrad\u00fcnnen Halbleiterschichten. Dehnung von Halbleitern steuert die Lichtaussendung.
\nDie optischen und elektrischen Eigenschaften hauchd\u00fcnner Halbleiter lassen sich in unerwarteter Weise steuern, indem man die mechanische Dehnung des Materials kontrolliert. Das hat eine Forschungsgruppe aus Marburg und M\u00fcnster herausgefunden, indem sie untersuchte, wie sich sichtbare und unsichtbare Quasiteilchen in Halbleiter-D\u00fcnnschichten bewegen. Das Team berichtet in der Wissenschaftszeitschrift „Nature Communications“ \u00fcber seine Ergebnisse.
\nDie Forschungsgruppe analysierte ein spezielles neuartiges Halbleitermaterial. Dabei handelt es sich um das „\u00dcbergangsmetall-Dichalkogenid-Monolagen“ (TMD) nach der englischen Bezeichnung transition metal dichalcogenide. Das sind hauchd\u00fcnne Kristalle, die aus einer einzigen atomaren Schicht bestehen.
\n„Weil sie extrem biegsam und absorptionsstark sind, gelten sie als vielversprechende Kandidaten f\u00fcr opto-elektronische Anwendungen, zum Beispiel Lichtquellen oder Detektoren der n\u00e4chsten Generation“, erkl\u00e4rte der Physiker Prof. Dr. Ermin Malic von der Philipps-Universit\u00e4t. Er hat die theoretischen Arbeiten geleitet.
\n„In ultrad\u00fcnnen TMDs k\u00f6nnen negative und positive Ladungen erzeugt werden, die in einem stark gebundenen Zustand vorliegen – als Paar aus Elektron und Leerstelle“, erl\u00e4uterte der Physiker Prof. Dr. Rudolf Bratschitsch von der Westf\u00e4lischen Wilhelms-Universit\u00e4t M\u00fcnster, der f\u00fcr die experimentellen Beitr\u00e4ge verantwortlich war. Fachleute bezeichnen ein solches gebundenes Elektron-Loch-Paar als Exziton. „Wenn Exzitonen zerfallen, emittieren sie ein Photon“, f\u00fchrte Bratschitsch aus.
\nDie atomar d\u00fcnne Schicht leuchtet. Es gibt aber auch Elektron-Loch-Paare, die nicht zu Licht werden, also nicht sichtbar sind; daher nennt man sie „dunkle Exzitonen“.
\n„Obwohl man dunkle Exzitonen nicht sehen kann, beeinflussen sie die Lichtemission von Halbleitern“, legte Malic dar. „TMDs sind bemerkenswert empfindlich gegen\u00fcber mechanischer Spannung“, erg\u00e4nzte Malics Mitarbeiter Dr. Roberto Rosati, einer der beiden Leitautoren des Fachaufsatzes.
\nDie Dehnung des Materials wirkt sich insbesondere auf das Verhalten der Exzitonen aus, wie Bratschitschs Mitarbeiter Dr. Robert Schmidt erl\u00e4uterte. Er ist ein weiterer Leitautor der Publikation.
\n„Durch Dehnung wird ihre Energie abgesenkt“, erkl\u00e4rte Schmidt. „Da diese Quasiteilchen beweglich sind, erwartet man, dass sie sich zur Stelle mit der st\u00e4rksten Dehnung bewegen, um ihre Energie zu minimieren. In unserer Studie haben wir in TMDs verfolgt, welchen Weg die Exzitonen in Zeit, Raum und Energie zur\u00fccklegen“
\nDie Forschungsgruppe verwendete eine regelm\u00e4\u00dfige Anordnung von Mikros\u00e4ulen aus Kunststoff, auf die sie die Halbleiter-Monolage \u00fcbertrug „Das Aufstempeln der D\u00fcnnschicht auf die Mikros\u00e4ulen erzeugt eine ungleichm\u00e4\u00dfige Dehnung, die direkt zwischen zwei S\u00e4ulen am st\u00e4rksten ausf\u00e4llt“, berichtete Schmidt.
\n„\u00dcberraschenderweise bewegt sich die Lichtemission der Exzitonen von Regionen gro\u00dfer Dehnung weg“, stellte Bratschitsch fest. Das lasse sich auf die dominierende Rolle der sich ausbreitenden dunklen Exzitonen zur\u00fcckf\u00fchren: Sie versammeln sich nicht im Bereich mit starker Dehnung, wie in einem Trichter, sondern entfernen sich davon, wie von der Spitze eines Berges.
\n„Der Transport der Exzitonen, den wir festgestellt haben, verl\u00e4uft ganz anders, als man es bisher erwartet hatte“, res\u00fcmierte Malic. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass sich die optischen und elektronischen Eigenschaften von technologisch vielversprechenden atomd\u00fcnnen Halbleitern kontrollieren lassen, indem man ihren Dehnungszustand \u00e4ndert.“
\nMalic leitet die Arbeitsgruppe „Ultraschnelle Quantendynamik“ an der Philipps-Universit\u00e4t. Bratschitsch steht der Abteilung „Ultraschnelle Quantenoptik und Nanophotonik in Festk\u00f6rpern“ an der Westf\u00e4lischen Wilhelms-Universit\u00e4t M\u00fcnster vor. Neben den Universit\u00e4ten in M\u00fcnster und Marburg beteiligte sich die Technische Hochschule Chalmers in Schweden an der Forschungsarbeit.
\nDie Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die wissenschaftliche Arbeit \u00fcber ihren Sonderforschungsbereich 1083 unterst\u00fctzt. Die Europ\u00e4ische Union (EU) hat sie aus ihrer F\u00f6rderlinie „Graphene Flagship“ und die schwedische Innivationsagentur Vinnova durch „2D TECH“ bezuschusst.<\/p>\n
* pm: Philipps-Universit\u00e4t Marburg<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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