Elektron-Loch-Paare überspannen Grenze zwischen Halbleiterflächen

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Rosati et al.: Interface engineering of charge-transfer excitons in 2D lateral heterostructures, Nat. Commun. 14, 2438 (2023); DOI: 10.1038/s41467-023-37889-9
• Ultraschnelle Quantendynamik (E. Malic), FB Physik, Philipps-Universität Marburg