Elektron-Loch-Paare überspannen Grenze zwischen Halbleiterflächen

Verhalten von Quasiteilchen in zusammengesetzten Halbleiter-Nanoschichten erklärt.

Die Industrie verwendet bei elektronischen Geräten immer kleinere Bauteile, um mehr und mehr Leistung auf möglichst kleinem Raum unter­zu­bringen. „Dieser Trend kommt mittler­weile an fundamentale physikalische Grenzen der angewandten Materialien“, erklärt Ermin Malic von der Uni Marburg. „Die neue Material­klasse der atomar dünnen Nanoschichten könnte hier die techno­logische Entwicklung voran­treiben.“ Im Fokus von Malics Forschung steht insbesondere ein spezielles neuartiges Halbleiter­nano­material, nämlich Übergangs­metall-Dichal­kogenid-Monolagen, kurz TMD. Dabei handelt es sich um hauchdünne Kristalle, die aus einer einzigen atomaren Schicht bestehen. Sie besitzen eine Reihe von außer­ordent­lichen Eigenschaften, die sie zu vielver­sprechenden Kandidaten für ultradünne, biegsame und durchsichtige Geräte machen.

Abb.: In einer lateralen Hetero­struktur über­spannt ein Elektron-Loch-Paar...
Abb.: In einer lateralen Hetero­struktur über­spannt ein Elektron-Loch-Paar die Grenze zwischen den zusammen­ge­fügten TMD-Halb­leiter­flächen. (Bild: G. Mene­ghini)

In ultradünnen TMDs können elektrische Ladungen erzeugt werden, die als Paare aus je einem Elektron und einem Loch vorliegen, also als Exziton. „Die faszinierende Exziton-Physik wird noch spannender, wenn man die atomar dünnen TMD-Halbleiter stapelt“, erklärt Malic. Halbleiter­materialien, die aus zwei Schichten bestehen. In solchen Hetero­strukturen kommt es zu räumlich getrennten Exzitonen, bei denen Elektron und Leerstelle in verschiedenen Schichten liegen und damit räumlich getrennt sind.

Da der Bildung dieser Exzitonen ein Ladungs­übergang von einer Schicht zur anderen vorausgeht, heißen sie auch Ladungs­transfer-Exzitonen. Im Verhalten dieser Quasi­teilchen spiegeln sich die Eigenschaften der Grenzfläche wider. Bislang hat sich die Forschung auf vertikale Hetero­strukturen konzentriert, die durch das Aufein­ander­stapeln von Einzel­lagen entstehen. Malics jüngste Studie widmet sich hingegen einlagigen TMD-Halbleiter­schichten, die zu größeren Flächen zusammen­gesetzt sind. Hierzu tat sich die Theorie­gruppe um Malic mit experi­men­tellen Arbeits­gruppen anderer Forschungs­einrichtungen zusammen.

„Unsere mikroskopische und material­spezifische Theorie offenbart die physi­ka­lischen Prozesse, die der Bildung von Ladungs­transfer-Exzitonen zugrunde liegen“, berichtet Malic. „Die Analyse zeigt außerdem, wie ihr Verhalten durch geeignete Bedingungen beeinflusst und dadurch für technologische Anwendungen optimiert werden kann.“ Experi­mentelle Messungen bestätigen die theoretischen Vorhersagen. „Unsere Studie stellt das Verständnis der Eigenschaften dieser techno­logisch vielver­sprechenden Materialien auf eine neue Basis“, fasst Malic zusammen.

PU Marburg / RK

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