Eine starke Wechselwirkung von Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen konnten erstmals Forscher der Uni Heidelberg und der University of St Andrews in Schottland nachweisen. Die starke Licht-Materie-Kopplung bildet eine wichtige Grundlage für die Realisierung neuer Lichtquellen, elektrisch gepumpter Laser, die auf der Basis von organischen Halbleitern hergestellt werden sollen und unter anderem für Anwendungen in der Telekommunikation von Bedeutung wären.
Abb.: Die Entstehung von Exziton-Polaritonen durch eine starke Licht-Materie-Kopplung ist eine vielversprechende Strategie zur Herstellung von elektrisch gepumpten Lasern auf Kohlenstoffbasis. Forscher der Uni Heidelberg und der University of St. Andrews haben jetzt erstmals diese starke Licht-Materie-Kopplung in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen nachgewiesen. (Bild: A. Graf, U. Heidelberg)
Organische Halbleiter auf der Basis von Kohlenstoff sind eine kosten- und energieeffiziente Alternative zu konventionellen anorganischen Halbleitern wie Silizium. So werden Leuchtdioden, die aus diesen Materialien bestehen, bereits flächendeckend in Displays von Smartphones eingesetzt. Weitere Bauelemente für Anwendungen in der Beleuchtungstechnik, der Datenübertragung und der Photovoltaik befinden sich im Prototyp-Status. Ein wichtiges Bauteil der Optoelektronik konnte bislang jedoch nicht mit organischen Materialien realisiert werden – der elektrisch gepumpte Laser. Das hat seinen Grund vor allem darin, dass organische Halbleiter nur eingeschränkt in der Lage sind, Ladungen zu transportieren.
In den vergangenen Jahren ist die laserartige Lichtemission von organischen Halbleitern auf der Grundlage der Licht-Materie-Kopplung zunehmend in den Mittelpunkt der Forschung gerückt. Werden Photonen und Exzitonen mit ausreichend großer Wechselwirkung zusammengebracht, koppeln diese so stark, dass Exziton-Polaritonen entstehen. Es handelt sich hier um Quasiteilchen, die auch Licht abgeben. Unter bestimmten Bedingungen kann diese Emission die Eigenschaften von Laserlicht annehmen. Bei ausreichend gutem Ladungstransport würden Exziton-Polaritonen die Herstellung eines elektrisch gepumpten Kohlenstoff-basierten Lasers in greifbare Nähe rücken lassen, so Jana Zaumseil von der Uni Heidelberg.
Zaumseil und ihre Kollegen konnten jetzt erstmals die Bildung von Exziton-Polaritonen in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen nachweisen. Anders als andere organische Halbleiter transportieren diese mikroskopisch kleinen, röhrenförmigen Gebilde aus Kohlenstoff positive und negative Ladungen ausgesprochen gut. Sie zeigen außerdem außergewöhnliche optische Eigenschaften. Die Wissenschaftler sehen in ihren Ergebnissen einen wichtigen Schritt zur Realisierung elektrisch gepumpter Laser auf der Basis von organischen Halbleitern. „Neben der potenziellen Erzeugung von Laserlicht können wir bereits jetzt mit Hilfe der Exziton-Polaritonen das von den Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgestrahlte Licht im nahen Infrarot über große Wellenlängenbereiche verschieben“, so Zaumseil.
RKU / RK
