Dünne Schichten mit dickem Spektrum

Motiviert durch die Erfolgsgeschichte des super­dünnen Graphen, das vor einigen Jahren mit dem Nobel­preis für Physik ausgezeichnet worden ist, entdecken Forscher in der Chemie und in der Physik heute immer neue, atomar dünne Materialien. Sie bestehen aus Gittern von Atomen, die nur wenig dicker sind als die einzelnen Atome selbst. Der Vor­reiter Graphen setzt sich aus einer einzelnen Lage von Kohlen­stoff­atomen zusammen. Die ist zwar hervor­ragend für die Elektronik geeignet, nicht jedoch für optische Anwendungen. Nun gibt es neue atomar dünne Materialien, die sich für stark miniaturisierte und äußerst energie­effiziente optische Bau­elemente eignen. Bemerkens­wert ist dabei, wie einfach und kosten­günstig die neuen Materialien hergestellt werden können: Sie lassen sich beispiels­weise mit Klebe­film von Volumen­kristallen abziehen.

Eine zentrale Idee ist hierbei das Prinzip des „Lego-Bau­kastens“: Die Eigen­schaften leuchtender und elektrisch leitender atomar dünner Materialien, wie beispiels­weise Über­gangs­metall-Dichalko­genide (TMDs) und Graphen, werden kombiniert, indem man sie direkt aufeinander­stapelt. Trotz losen Zusammen­halts weisen diese Strukturen eine enorme mechanische Stabilität auf. Die darin enthaltenen TDMs leuchten dabei nicht nur sehr gut, sie absorbieren auch Licht und können es in Strom umwandeln. Deshalb gibt es bereits erste praktische Anwendungen in sehr empfindlichen Sensoren. Denk­bar ist zudem, sie in biegsamen Solar­panels zu verwenden oder in Handy­displays.

Durch den Einsatz in stark miniaturisierten Lasern lassen sich neue Bauteile realisieren, die für das High­speed-Inter­net der nächsten Generation benötigt werden. „Wir können mit diesen Materialien einen ganzen Bau­elemente-Pool für Innovationen im Ingenieurs­wesen und in der Technik bereit­stellen. Die Eigen­schaften dieser atom­dünnen Blättchen sind mit Blick auf den wachsenden Bedarf an erneuer­baren und effizienten Energie­quellen höchst interessant“, erläutert Frank Jahnke, Professor für theoretische Physik. Zusammen mit Matthias Florian und Alexander Steinhoff hat er die Unter­suchungen an der Universität Bremen durchgeführt.

Insbesondere möchten die Forscher die charakteristischen Spektral­linien der entstehenden Verbund­teilchen verstehen. „Diese Teilchen­komplexe in Kristallen sind zwar deutlich kurz­lebiger als echte Atome und Moleküle, können aber in modernen ultra­schnellen Experimenten sichtbar gemacht werden“, führt Nachwuchs­wissenschaftler Alexander Steinhoff aus.

So hat das Team der Universität Bremen in enger Kooperation mit Fach­kollegen der Experimental­physik aus Berlin und aus Houston/Texas Computer-Simulationen mit modernster Spektro­skopie kombiniert, um den spektralen Finger­abdruck dieser Verbund­teilchen zu erhalten. Sie haben dabei nach­gewiesen, dass durch die innere Struktur der Vier-Teilchen-Komplexe neue Quanten­zustände entstehen. Diese gehen über die bislang bekannte Atom- und Molekül­physik weit hinaus. Denn sie erzeugen eine reich­haltige spektrale Signatur. Als einen nächsten Schritt planen die Forscher die Erstellung funktions­fähiger Proto­typen solcher Bauteile.

U. Bremen / DE