30.06.2022

Exzitonen überwinden Grenzen

Angeregte 2D-Halbleiterkristalle senden Licht in Vorzugsrichtung aus.

Ein Team um die Physiker Arash Rahimi-Iman von der Justus-Liebig-Universität Gießen und Martin Koch von der Philipps-Universität Marburg hat Quasi­teilchen nachgewiesen, die sich in selbst­erzeugten zwei­dimensionalen Kristallen über zwei Lagen erstrecken „Schichtkristalle aus der Familie der zweidimen­sionalen Halbleiter zählen zu den Nano­materialien, die eine vielversprechende Grundlage für diverse Einsatz­gebiete bieten“, sagt Koch. „Ob als hauchdünner Leitkanal in Transistoren oder aktives Material in der Photonik, die Materialklasse der Übergangs­metall­dichalkogenide, vertreten unter anderem durch Wolfram­disulfid und -diselenid, hat seit etwa einem Jahrzehnt enorm an Popularität in der inter­nationalen Forschung gewonnen.“

Abb.: Physiker Mohammed Adel Aly experimentiert an zweidimen­sionalen...
Abb.: Physiker Mohammed Adel Aly experimentiert an zweidimen­sionalen Halbleiter­kristallen aus Wolfram­disulfid und Wolfram­diselenid. (Bild: J. Hosan)

„Sowohl die Abstrahlung als auch die Energie­aufnahme von Hetero­strukturen stehen weiterhin im Fokus des Interesses. In unseren Experimenten untersuchten wir eine künstlich gestapelte, hauchdünne Schicht­struktur aus Wolfram­disulfid und Wolfram­diselenid“, sagt Arash Rahimi-Iman. Das Besondere an 2D-Materialien ist, dass sie als einzelne Monolagen unter dem Mikroskop oftmals mit bloßen Auge erkannt werden können. „Zudem lassen sie sich händisch zu anspruchs­vollen und funktionalen Schicht­systemen stapeln“, sagt Koch. Für die Experimente nutzte das Team eine Wolfram­disulfid-Monolage aus Eui-Hyeok Yangs Arbeitsgruppe am Stevens Institute for Technology in den USA; auf diese Unterlage platzierte die Forscher­gruppe kontrolliert eine zweite Monolage, bestehend aus natürlichem Wolfram­diselenid.

„Dank selbst­gestapelter 2D-Kristalle konnten wir deutlich messen, dass sich die Materie­anregungen auf zwei verschiedene Lagen des Materials ausdehnen“, berichtet Kochs Doktorand Mohammed Adel Aly, der zusammen mit Manan Shah und Lorenz Maximilian Schneider die Experimente durchführte. „Auch konnten wir eine seitliche Abstrahl­richtung nachweisen.“ Rahimi-Iman sagt: „Die Abstrahl­charakteristik ist von Bedeutung, wenn man zum Beispiel optische Resonanzen der 2D-Halbleiter­heterostrukturen in photonischen Bauelementen gezielt und effektiv einsetzen möchte – also in hauchdünnen Solar­zellen oder Laser.“

U. Marburg / JOL

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