17.01.2017

Valley-Polarisation von 2D-Halbleitern

Neue Methode offenbart optoelektronischen Eigenschaften atomar dünner Schichten.

Chemische Verbin­dungen mit Elementen aus der Gruppe der Übergangs­metalle können so präpariert werden, dass zwei­dimensionale, halb­leitende Kristalle aus einer einzigen Schicht von Atomen entstehen. Ein Team von Physikern der Ludwig-Maxi­milians Universität in München um Alexander Högele hat nun in Koope­ration mit ameri­kanischen Wissen­schaftlern die Eigen­schaften solcher einlagigen Halbleiter aus Übergangs­metall-Dichal­kogeniden untersucht.

Abb.: Lichtmikroskopische Aufnahme zweidimensionaler Kristalle des Dünnschichthalbleiters Molybdändisulfid. (Bild: H. Yamaguchi, LANL)

Die neuartigen Halb­leiter haben eine besonders starke Licht-Materie-Wechsel­wirkung und damit ein großes Potenzial für verschiedene opto­elektronische Anwendungen. Zudem können Elektronen im Halbleiter mit polari­siertem Licht angeregt werden. „Zirkular polari­siertes Licht erzeugt Ladungs­träger, die sich zyklisch entweder rechts- oder links­drehend bewegen. Ihre Bewegung ist also durch den Drehsinn quantisiert, was durch den Valley-Index beschrieben und als Valley-Polari­sation detektiert wird“, sagt Högele. Den Gesetzen der Quanten­mechanik folgend lässt sich der Valley-Index daher analog zum quan­tisierten Spin als Basis­größe für Anwen­dungen nutzen, die bis hin zum Quanten­computer reichen könnten.

Aller­dings ist der Stand der Forschung zum Valley-Index recht kontrovers: In ver­schiedenen Studien weltweit wurden unter­schiedliche Werte für die Valley-Polari­sation von Halb­leitern beobachtet. Die Ursachen solcher Varianzen konnten die Wissen­schaftler nun am Beispiel des Dünnschicht­halbleiters Molybdän­disulfid mithilfe einer neu entwickelten polari­metrischen Methode aufklären: „Die Antwort auf polari­siertes Licht hängt stark von der Kristall­qualität ab und kann daher innerhalb ein und desselben Kristalls deutlich variieren“, sagt der Physiker. „Der von uns gefundene Zusammen­hang zwischen Kristall­qualität und Valley-Polari­sation kann künftig helfen, die für quanten­techno­logische Anwen­dungen wichtigen Proben­parameter schnell und effizient zu bestimmen.“

Zudem kann die neue Methode auch auf andere einlagige Halb­leiter und sogar auf Systeme aus mehreren solcher Materialien angewendet werden. Dadurch könnten zukünftig Bau­elemente auf Grundlage dieser neuen atomar dünnen Halb­leiter wie etwa neue LEDs schnell und effizient auf ihre Funk­tionalität untersucht werden.
Nature

LMU / JOL

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