Schneller leuchten In zwei Dimensionen
In einer ultradünnen Festkörperschicht bilden Elektronen atomähnliche Teilchen.
Materialien herzustellen, die aus einer einzigen Lage von Atomen bestehen, ist heute kein Problem mehr. Neben Graphen – einer Monolage aus Graphit – funktioniert das inzwischen auch mit Übergangsmetall-Dichalkogeniden wie Wolframdiselenid. In Monolagen können sich Elektronen nur zweidimensional in einer Ebene bewegen. Das verleiht den ultradünnen Materialien einzigartige Eigenschaften, die künftig Elektronik und Optoelektronik revolutionieren könnten. Wird zum Beispiel ein Photon in einer Monolage von Wolframdiselenid absorbiert, so kann es ein Exziton – ein gebundenes Elektron-Loch-Paar – erzeugen. Dabei umkreist ein negativ geladenes Elektron ein positiv geladenes Loch, ähnlich wie ein Elektron im Wasserstoffatom den Kern umkreist. Die Theorie sagt voraus, dass Exzitonen in einer Monolage wegen der starken Bindung zwischen Elektronen und Löchern auch bei Raumtemperatur existieren und daher alle optischen Eigenschaften dominieren sollten – denn nur sie emittieren Licht in einer Monolage. Für die Entwicklung von Bauelementen wie Solarzellen oder lichtemittierenden Dioden ist es daher wichtig, die Eigenschaften von Exzitonen besser zu verstehen.
Abb.: Darstellung der Form eines Exzitons in einem energetisch angeregten Zustand (vorn: quantenmechanische Wellenfunktion) vor einer Monolage von Wolframdiselenid (weinrote und hellblaue Kugeln, Bild: B. Baxley, parttowhole.com).
Ein Team um Rupert Huber, Tobias Korn und Christian Schüller von der Uni Regensburg konnte nun in Kooperation mit Rudolf Bratschitsch von der Uni Münster Licht ins Dunkel bringen. Im Rahmen eines Experiments regten die Forscher eine Monolage von Wolframdiselenid zunächst mit einem sichtbaren Lichtblitz an, so dass Exzitonen entstanden. Um diese direkt nachzuweisen, beleuchteten die Physiker die Exzitonen mit ultrakurzen infraroten Lichtimpulsen, die interne Anregungen in den Exzitonen auslösten. Durch Aneinanderfügen mehrerer Momentaufnahmen entstand schließlich ein Zeitlupenfilm mit einer extremen Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden. Das ist gerade schnell genug, um die Entstehung, Struktur, Dichte und Wechselwirkung der Exzitonen untereinander scharf aufzulösen.
Die Messdaten der Forscher förderten weitere Überraschungen zutage: Sie zeigten, dass bestimmte Exzitonen überraschend effizient zerstrahlen. Dabei stürzt das Elektron in das Loch, das es umkreist, und gibt seine Energie als Photon ab. In atomar dünnem Wolframdiselenid läuft dieser Prozess tausend Mal schneller ab als in gewöhnlichen dreidimensionalen Festkörpern. Die Untersuchungen des Teams bieten deshalb spannende Perspektiven für die Entwicklung neuer Lichtquellen auf Basis der denkbar dünnsten Materialien.
UR / RK
