14.05.2018

Der Dreh mit den zweidimensionalen Kristallen

Neues Verfahren ermöglicht Unter­suchung atomar dünner Hetero­struk­turen.

Die Ladungsträger in atomar dünnen Heterostrukturen trennen sich nicht komplett von­ein­ander, wie bisher ange­nommen, sondern halten sich teil­weise in beiden Materi­alien gleich­zeitig auf. Das zeigt die Unter­suchung von Hetero­struk­turen aus den zwei­dimen­sio­nalen Materi­alien Molybdän­disulfid und Wolfram­diselenid durch ein inter­natio­nales Forscher­team. Diese Erkenntnis ist sowohl für die Grund­lagen­forschung als auch für techno­lo­gische Anwen­dungen von Bedeu­tung.

Abb.: Bei der Herstellung einer MoS2/WSe2-Hetero­struktur können die Kristalle gezielt gegen­ein­ander ver­dreht werden, um die elek­tro­nischen und optischen Eigen­schaften der Struktur zu kon­trol­lieren. (Bild: F. Moos­hammer, U. Regens­burg)

Von Solarzellen bis hin zu Computern basiert Elektronik auf Halb­leitern, welche typischer­weise elek­trischen Strom im Gegen­satz zu Metallen schlecht leiten. Grund hier­für ist, dass in Metallen frei beweg­liche Elek­tronen vor­handen sind, in Halb­leitern sind die Elek­tronen jedoch stark gebunden und daher unbe­weg­lich. Erst wenn man die Ladungs­träger mittels Licht, Wärme oder elek­trischer Spannung anregt, können sie sich frei bewegen. Jedes hier­bei ange­regte, negativ geladene Elektron hinter­lässt dabei ein positiv gela­denes Loch. Kombi­niert man zwei unter­schied­liche Halb­leiter geschickt in einer Hetero­struktur, so können die ange­regten Elek­tronen und Löcher räum­lich von­ein­ander getrennt werden, wodurch beispiels­weise in Solar­zellen ein elek­trischer Strom fließen kann.

Derzeit besteht Elektronik hauptsächlich aus kristal­linem Silizium, aber in den ver­gan­genen Jahren haben sich zwei­dimen­sio­nale Materi­alien als erfolgs­ver­sprechende Kandi­daten für zukünf­tige flexible und ultra­dünne Halb­leiter­techno­logie bewiesen. Diese neu­artigen Kristalle sind nur wenige Atom­lagen dünn und können mit geringem tech­nischem Auf­wand präzise auf­ein­ander­ge­stapelt werden. Bisher war man davon aus­ge­gangen, dass sich die ange­regten Ladungs­träger auch in den so her­ge­stellten ultra­dünnen Hetero­struk­turen räum­lich komplett von­ein­ander trennen, dass also das Elektron in das eine Material wandert und das Loch in das andere.

Ein entscheidender experimenteller Schritt für das Resultat der inter­natio­nalen Kolla­bo­ra­tion war, dass es Forschern der Uni Regens­burg gelang, Hetero­struk­turen her­zu­stellen, bei denen die beiden atomar dünnen Schichten präzise gegen­ein­ander ver­dreht wurden. Dieser weitere Frei­heits­grad der zwei­dimen­sio­nalen Materi­alien gegen­über her­kömm­lichen Halb­leitern wurde hierbei ein­ge­setzt, um optische und elek­tro­nische Eigen­schaften der Hetero­struk­turen gezielt zu beein­flussen. Im Wesent­lichen basiert der Effekt darauf, dass sich die beiden zwei­dimen­sio­nalen Kristalle für unter­schied­liche Dreh­winkel unter­schied­lich nahe kommen, weil sich die Materi­alien unter­schied­lich stark im Weg sind. Durch diesen ver­änderten verti­kalen Abstand der beiden Halb­leiter wird auch die Anzie­hung zwischen Elektron und Loch gezielt verändert.

In den Experimenten beobachtete das Forscherteam, dass die optischen Eigen­schaften der Hetero­struk­turen eine deut­liche Abhän­gig­keit vom Dreh­winkel zeigen. Wissen­schaftlern der TU Dresden um Jens Kunst­mann und der Columbia Univer­sity um David Reich­man gelang es dann, mit Hilfe von auf­wändigen Berech­nungen zu zeigen, dass sich durch diese Beob­ach­tung Rück­schlüsse auf das Ver­halten von Elek­tronen und Löchern in den jewei­ligen Einzel­schichten ziehen lassen. So wandert das Elektron zwar in das MoS2, das Loch hält sich jedoch in beiden Materi­alien auf und nicht nur, wie bisher ange­nommen, im WSe2. Diese neuen Ein­sichten sind ent­schei­dend für die Kon­trolle optischer Effekte in den neu­ar­tigen zwei­dimen­sio­nalen Kristallen und für das Ver­ständnis zukünf­tiger Techno­logie wie ultra­dünner Solar­zellen.

UR / RK

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