14.08.2020

Regelbare Absorption

Geschichtete zweidimensionale Materialien absorbieren Licht bei einer wählbaren Wellenlänge fast vollständig.

Neue zweidimensionale Materialien sind zurzeit ein wichtiges Forschungs­thema weltweit. Dabei sind Van-der-Waals-Hetero­strukturen, die sich aus einzelnen Lagen unterschiedlicher Materialien zusammen­setzen und durch Van-der-Waals-Kräfte aneinander haften, von besonderem Interesse. Die Wechsel­wirkungen zwischen den unterschiedlichen Schichten können zu ganz neuen Eigenschaften des Materials führen. 
 

Abb.: Schematische Darstellung der Elektronen-Loch-Paare (Elektron: pink, Loch:...
Abb.: Schematische Darstellung der Elektronen-Loch-Paare (Elektron: pink, Loch: blau), die sich durch Absorption von Licht in der zweilagigen Molybdän­disulfid­schicht bilden. (Bild: N. Leisgang, L. Ceccarelli, U. Basel)

Es gibt bereits Van-der-Waals-Strukturen, die bis zu 100 Prozent des Lichts absorbieren. Einlagige Schichten aus Molybdän­disulfid weisen ein solch hohes Absorptions­vermögen auf. Wenn das Licht absorbiert wird, verlässt ein Elektron seinen angestammten Platz im Valenzband und hinterlässt dort ein positiv geladenes Loch. Das Elektron gelangt auf ein höheres Energie­niveau, in das Leitungs­band, in dem es sich frei bewegen kann. 

Das entstandene Loch und das Elektron ziehen sich durch die Coulombkraft gegenseitig an und es entstehen gebundene Elektronen-Loch-Paare, die auch bei Raum­temperatur stabil sind. Es ist jedoch nicht möglich, in dieser einlagigen Molybdän­disulfid­schicht zusätzlich einzustellen, welche Wellenlängen an Licht absorbiert werden. „Erst wenn zwei Lagen Molybdän­disulfid verwendet werden, kommt die für Anwendungen wichtige Eigenschaft der Regulierbarkeit hinzu“, erklärt Richard Warburton vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel. 

Warburton und seinem Team ist es in enger Zusammenarbeit mit Forschern aus Frankreich gelungen, eine solche Struktur herzustellen. Die Physiker verwendeten eine zweilagige Schicht von Molybdän­disulfid, die wie bei einem Sandwich unten und oben von einem Isolator und dem elektrischen Leiter Graphen umgeben ist. 

„Wenn wir an die äußeren Graphen­schichten dann eine Spannung anlegen, erzeugen wir ein elektrisches Feld, das die Absorptions­eigenschaften der beiden Molybdän­disulfid­schichten beeinflusst“, erklärt Nadine Leisgang, Doktorandin im Warburton-Team und Erstautorin der Studie. „Durch die Einstellung dieser angelegten Spannung können wir bestimmen, bei welchen Wellenlängen Elektronen-Loch-Paare in diesen Schichten gebildet werden.“ 

„Diese Arbeiten können einen neuen Ansatz zur Entwicklung opto­elektronischer Geräte wie Modulatoren liefern“, erläutert Richard Warburton. Möglich erscheint auch die Nutzung als Quelle für einzelne Photonen, die in den Quanten­technologien eine wichtige Rolle spielen könnte. 

U. Basel / DE
 

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