Scharfer Blick auf Elektron-Loch-Paare

Um zweidimensionale Materialien für zukünftige Computer- und Photovoltaik­technologien zu erforschen, haben Forschende der Universitäten Göttingen, Marburg und Cambridge die Bindung zwischen den in Halbleitern enthaltenen Elektronen und Löchern untersucht. Indem sie diese Bindung mit einem speziellen Verfahren aufbrachen, erhielten sie einen mikro­skopischen Einblick in Ladungs­transferprozesse über eine Halbleiter­grenzfläche.

Strahlt Licht auf einen Halbleiter, gibt es Energie an diesen ab. In der Folge bilden sich im Halbleiter negativ geladene Elektronen und positiv geladene Löcher, die sich anschließend paarweise aneinander­binden. Die Elektron-Loch-Paare – Exzitonen – weisen bei modernen zwei­dimensionalen Halbleitern eine außer­ordentlich große Bindungs­energie auf. In ihrer Studie stellten sich die Forschenden der Heraus­forderung, das Loch eines Exzitons zu untersuchen, wie der Physiker Jan Philipp Bange von der Universität Göttingen erklärt: „In unserem Labor erforschen wir mittels Photoemissions­spektroskopie, wie optische Anregungen in atomar dünnen Halbleitern zu Ladungs­transferprozessen führen. Bislang haben wir uns dabei auf Elektronen konzentriert, die wir mit einem Elektronen­analysator messen können. Auf Löcher hatten wir bisher keinen direkten Zugriff. Uns beschäftigte daher die Frage, wie wir nicht nur das Elektron, sondern auch das Loch eines Exzitons charak­terisieren können.“

Um diese Frage zu beantworten, nutzten die Forschenden unter der Leitung von Marcel Reutzel und Stefan Mathias ein spezielles Mikroskop für Photo­elektronen in Kombination mit einem hoch intensiven Laser. Bei dem Verfahren führt das Aufbrechen eines Exzitons zu einem Energie­verlust des im Experiment gemessenen Elektrons. Reutzel erklärt: „Dieser Energie­verlust ist charak­teristisch für verschiedene Exzitonen, je nachdem, in welcher Umgebung das Elektron und das Loch miteinander wechselwirken.“

In der aktuellen Studie zeigen die Forschenden auf einer Heterostruktur bestehend aus zwei unter­schiedlichen atomar dünnen Halbleitern, dass das Loch des Exzitons von einer Halbleiter­schicht in die andere transferiert, ähnlich wie in einer Solarzelle. Diesen Ladungs­transferprozess konnte die Arbeitsgruppe von Ermin Malic von der Universität Marburg mit einem mikroskopischen Model beschreiben. „In Zukunft wollen wir die spektro­skopische Signatur der Wechsel­wirkung zwischen Elektronen und Löchern nutzen, um neuartige Phasen in Quanten­materialien zu studieren, und zwar auf ultrakurzen Zeit- und Längenskalen. Derartige Studien können die Grundlage für die Entwicklung neuer Techno­logien sein und wir hoffen in Zukunft dazu beitragen zu können“, sagt Mathias.

U. Göttingen / JOL