Vielseitiges Graphen

Forscher am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz haben in Kooperation mit internationalen Partnern ein neuartiges Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Graphen mit Funktionen optischer Halbleiter auszustatten. „Graphen wird dadurch für den Einsatz in optischen Bausteinen, wie etwa bei LED-, Laser- und Solar­zellen-Technologien, geeignet, ohne dass die einzig­artigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften verloren gehen“, erklärt Ulrich Hohenester, der die Grazer Forschungsgruppe leitet.

„Wir schneiden aus Graphen extrem schmale Bänder – so genannte graphene nano ribbons (GNRs) – aus. Dadurch wird eine Bandlücke geöffnet, die für optische Anwendungen von zentraler Bedeutung ist, während gleichzeitig viele positive Material­eigenschaften des Halb­metalls beibehalten werden“, erklärt Hohenester das Verfahren. In den Experimenten wurden GNR mit ultra­kurzen Laser­pulsen angeregt: Das stimulierte Elektron wandert vom Valenzband in das Leitungsband. Was zurückbleibt, ist ein Loch. Nun kommt es zu einer Bindung zwischen dem Elektron und dem Loch, ähnlich wie bei einem Wasser­stoff­atom.

Das Ergebnis ist ein so genanntes Exziton. „Wir konnten in unseren Simulationen hier in Graz zeigen, dass bei einer stärkeren optischen Anregung zwei Exzitonen einen weiteren Bindungs­zustand – ein sogenanntes Biexziton – eingehen. Diese sind zum Beispiel auch zur Ladungs­träger­vervielfältigung in Solar­zellen von großer Wichtigkeit“, führt der Wissenschafter aus. Die Änderung des optischen Spektrums wurde mit einer Zeit­verzögerung von wenigen Piko­sekunden gemessen. Durch eine zunehmende Anregungs­leistung und somit höhere Zahl von angeregten Elektronen und Löchern taucht in den Spektren eine Änderung aufgrund der Bindung von Biexzitonen auf. Über­raschender­weise ist diese Bindungs­energie extrem groß, was wiederum für viele optische Elemente äußerst vorteilhaft sein könnte.

Die Arbeit entspringt einer Kooperation mit mehreren internationalen Forschungsg­ruppen und ist in den universitäten Forschungs­schwer­punkt „Modelle und Simulation“ sowie in den Sonder­forschungs­bereich NextLite des FWF, der sich mit der Erforschung von neuartigen Lichtquellen sowie mit Licht-Materie-Wechselwirkung beschäftigt, eingebunden.

U. Graz / DE