Quantenpunkte aus Nanokristallen können bei optischer Anregung in unregelmäßigen Abständen Fluoreszenz-Licht aussenden. Dieses Blinken, das trotz kontinuierlicher Beleuchtung auftritt, konnte bisher nur in eindimensionalen Systemen beobachtet werden. Doch nun fanden Forscher an der Nanyang Technological University in Singapur einen ähnlichen, korrelierten Blink-Effekt auch in zweidimensionalen Systemen aus hauchdünnen Halbleiterschichten. Auf der Basis dieser Ergebnisse könnten nicht nur die Dynamik von Ladungsträgern besser untersucht, sondern auch korrelierte Lichtquellen für Anwendungen in der Quanteninformatik entwickelt werden.
Abb.: Bilder der blinkenden zweidimensionalen Heterostrukturen aus Wolframsulfid und Molybdänselenid (links sichtbares Licht, rechts Fluoreszenzaufnahme; Bild: Q. Xiong et al., Nanyang TU)
Die Arbeitsgruppe um Qihua Xiong, unterstützt von Kollegen aus Frankreich und Deutschland, deponierte zweidimensionale Lagen aus Wolframsulfid und Molybdänselenid auf einer glatten Unterlage. In einem kleinen Bereich überlappten sich die Kristallschichten und bildeten eine über schwache van der Waals-Kräfte verbundene Heterostruktur. Mit diesem Aufbau konnten sie das deutlich unterschiedliche Fluoreszenz-Verhalten der einzelnen Schichten mit der Doppelschicht vergleichen.
Abb.: Grafische Darstellung des Ladungstransfers zwischen den beiden zweidimensionalen Kristallschichten. (Bild: Q. Xiong et al., Nanyang TU)
Sendeten eindimensionale Nanokristalle Fluoreszenzlicht in zufälligen Abständen aus, zeigte das Blink-Verhalten der Heterostruktur korrelierte Wechsel der Emissionen. Emittierte die Wolframsulfid-Schicht Photonen, blieb die Molybdänselenidschicht dunkel und umgekehrt. Verantwortlich dafür ist ein spezifischer Transfer der Ladungsträger zwischen den Schichten. Angeregte Elektronen der Molybdänselenidschicht sammeln sich bevorzugt im Leitungsband des Wolframsulfids. Parallel bewegen sich Elektronenlöcher vom Wolframsulfid im Valenzband des Molybdänselenids. Die einzelnen Kristallschichten dagegen emittieren Licht mit konstanter Intensität.
Xiong und seine Kollegen gehen davon, dass zwischen den beiden zweidimensionalen Kristallschichten noch weitere, komplexere Prozesse beim Transfer der Ladungsträger auftreten. Mit weiteren Experimenten könnte diese Dynamik mit Fluoreszenzlebenszeiten von einer knappen Nanosekunde noch genauer analysiert und mit einem theoretischen Modell erklärt werden. Wenn in Zukunft das korrelierte Blink-Verhalten der Heterostrukturen genauer verstanden sein sollte, locken einige potenzielle Anwendungen. „Diese Doppelschicht aus van der Waals-Heterostrukturen bieten eine einzigartige Plattform, um die Dynamik von Ladungsträgern und Nichtgleichgewichtszustände zu untersuchen“, sagt Xiong. „Solche korrelierten Lichtquellen könnten dann in der Quantentechnologie eingesetzt werden.“
Jan Oliver Löfken
RK
