17.02.2021

Wie dünne Schichten schwingen

Schwingungsverhalten von zweidimensionalen Schichten über Exziton-Phonon-Kopplungsstärke bestimmt.

Aktuelle elektronische Bauteile in Computern, Handys und vielen weiteren Geräten beruhen auf mikrostrukturierten Silizium­trägern. Bei dieser Technologie sind jedoch die physikalischen Grenzen des Machbaren und die kleinstmöglichen Struktur­größen fast erreicht. Als neue Hoffnungsträger werden darum zwei­dimensionale Materialien intensiv erforscht. Man kann sich diese Materialien wie extrem dünne Folien vorstellen, die aus nur einer Schicht von Atomen bestehen. Am bekanntesten ist Graphen, eine atomar dünne Graphit-Schicht. 
 

Abb.: Donghai Li an seinem Experiment zur kohärenten 2D-Mikroskopie (Bild: S....
Abb.: Donghai Li an seinem Experiment zur kohärenten 2D-Mikroskopie (Bild: S. Pfarr, U. Würzburg)

Während Graphen rein aus Kohlenstoff besteht, gibt es zahlreiche andere 2D-Verbindungen, die sich durch besondere optische und elektronische Eigenschaften auszeichnen. Unzählige potentielle Anwendungen dieser Verbindungen werden aktuell erforscht, etwa für den Einsatz in Solar­zellen, in der Mikro- und Optoelektronik, in Verbundwerkstoffen, der Katalyse, in verschiedensten Arten von Sensoren und Lichtdetektoren, in der bio­medizinischen Bild­gebung oder beim Transport von Medikamenten im Organismus. Für die Funktion dieser 2D-Verbindungen nutzt man deren besondere Eigenschaften aus. „Dabei ist es wichtig zu wissen, wie sie auf Anregung mit Licht reagieren“, sagt Tobias Brixner, Leiter des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.

Prinzipiell werden 2D-Materialien genauso wie gewöhnliche Silizium-Solarzellen elektronisch angeregt, wenn ausreichend Licht­energie auf sie trifft. Allerdings kann die Energie die atomar dünne Schicht zugleich in Schwingungen versetzen. Das wiederum beeinflusst die opto­elektronischen Eigenschaften. Bislang war unbekannt, wie stark Licht solche Schwingungen in einem 2D-Material bei Raumtemperatur anregt. Nun ist es dem Team um Tobias Brixner in einer internationalen Kooperation gelungen, erstmals in einem 2D-Material – und zwar in einem Übergangs­metall­dichalcogenid – bei Raum­temperatur die Stärke der Schwingungs­anregung bei Licht­absorption zu bestimmen.

„Diese im Fachjargon Exziton-Phonon-Kopplungs­stärke genannte Größe ist schwierig zu ermitteln, da bei Raum­temperatur das Absorptions­spektrum sehr stark ‚ausgeschmiert‘ ist und keine einzelnen Spektral­linien getrennt werden können“, sagt der Physiker und Physiko­chemiker. Nun aber hat Postdoktorand Donghai Li in Würzburg die Methode der „kohärenten 2D-Mikroskopie“ entwickelte. Sie verknüpft die räumliche Auflösung eines Mikroskops mit der Femtosekunden-Zeitauflösung ultrakurzer Laserpulse und mit der mehrdimensionalen Frequenz­auflösung. Damit konnte Li den Einfluss der Schwingungen quantifizieren.

Brixner erläutert: „Überraschender­weise zeigte sich, dass im untersuchten Material die Exziton-Phonon-Kopplungsstärke viel größer ist als in herkömmlichen Halbleitern. Diese Erkenntnis ist hilfreich bei der Weiter­entwicklung von 2D-Materialien für konkrete Anwendungen.“

U. Würzburg / DE
 

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