12.08.2021 • PhotonikMaterialwissenschaften

Unordnung lässt Monoschichten anders leuchten

Mischungen mehrerer Elemente erhöhen die Unordnung in hauchdünnen Halbleitern.

Forscher der Uni Marburg haben Halbleiter mittels Photo­lumineszenz unter­sucht. Dabei zeigte sich, dass Mischungen mehrerer Elemente die Unordnung in hauch­dünnen Halb­leitern erhöhen, wobei sich deren optisch-elektrische Eigen­schaften verändern. Das Legieren von Halb­leitern wird häufig verwendet, um die gewünschten Material­eigen­schaften für Geräte­nwen­dungen zu erhalten. „Das ermöglicht eine breite Palette von möglichen Anwendungen in der Nano­elektronik und Opto­elektronik“, erklärt Hilary Masenda von der Uni Marburg „Der Preis dafür ist die zusätz­liche Unordnung, die durch das Legieren verursacht wird.“

Abb.: Hilary Masenda führt im Labor von Martin Koch Laser­experi­mente an...
Abb.: Hilary Masenda führt im Labor von Martin Koch Laser­experi­mente an TMD-Mono­lagen durch. (Bild: F. Conrads)

Das Team unter­suchte hauch­dünne Misch­kristalle, TMD-Monolagen. Diese bestehen aus Übergangs­metallen wie Wolfram oder Molybdän sowie dem Element Selen, einem Chalkogen. Dabei ist eine Schicht aus Übergangs­metall-Atomen zwischen zwei Schichten aus Selen einge­bettet. „Solche zwei­dimen­sionalen Materialien besitzen ein großes Anwendungs­potenzial für extrem dünne elektro­nische Bauteile“, erklärt Martin Koch, der die Forschungs­arbeiten leitet. Um zu optimierten Prozessen zu gelangen, müsse man aber die Unordnung berück­sichtigen.

Was passiert, wenn das Material nicht nur eines der Übergangs­metalle enthält, also entweder Molybdän oder Wolfram, sondern beide Elemente? Um das heraus­zu­finden, maß die Forschungs­gruppe erstmals die Photo­lumineszenz in einer solchen TMD-Legierung; die Ergebnisse wurden mit Daten verglichen, die von Monolagen mit nur einem Übergangs­metall-Element stammen. „Wieviel Unordnung in einem Material herrscht, sieht man an der Lumineszenz“, erläutert Koch.

Dabei zeigt sich, dass der Halbleiter andere optisch-elektro­nischen Eigen­schaften aufweist, wenn er aus drei anstelle von zwei Elementen besteht. Computer­simula­tionen legen nahe, dass dies auf zufälligen Unter­schieden in der Verteilung der chemischen Bestand­teile beruht. „Die Ladungs­träger, die einen elektrischen Strom in dem Material erzeugen, haben eine andere Beweg­lich­keit, wenn mehr Unordnung herrscht“, so Koch.

PU Marburg / RK

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