Neue Materialien im Licht

  • 15. February 2018

Photoelektronenspektroskopie offenbart Exzitonen in ultradünnen optoelektronischen Materialien.

Wir leben in einer Welt von Displays, deren Größe und farbliche Brillanz ständig zunehmen. Bei der Weiter­entwicklung der Glühbirne ist es einfach: Sie wird immer mehr durch LEDs ersetzt, in denen Halbleiter das Licht erzeugen. Die Einsatz­möglichkeiten von Displays sind jedoch beschränkt, da herkömmliche Halbleiter­materialien eher unflexibel und starr sind. Mit organischen Leucht­dioden (OLEDs) können zwar biegsame Displays hergestellt werden, jedoch sind Lebens­dauer und Licht­ausbeute niedriger als bei ihren anorganischen Verwandten.

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Abb.: Graphische Darstellung eines Stapels aus drei atomar dünnen Kristallen (Bild: U, Bremen)

Nun sind neue Materialien im Gespräch, die extrem dünn sind, sehr intensiv leuchten und sich zugleich erstaunlich einfach herstellen lassen: Mit herkömmlichem Klebe­band kann man im Labor einzelne atomare Lagen von speziellen Kristallen abziehen. Besonders geeignet sind hierfür die sogenannten Van-der-Waals-Kristalle. Eine zentrale Idee ist hierbei das Prinzip des „Lego-Baukastens“. Man kombiniert die Funktionalitäten leuchtender und elektrisch leitender atomar dünner Materialien miteinander, indem man sie direkt aufeinander­stapelt.

Die auf diese Weise erzeugten Materialien weisen eine enorme mechanische Stabilität auf. Sie leuchten nicht nur sehr gut, sie absorbieren auch Licht und können es in Strom umwandeln. Deshalb gibt es bereits erste Anwendungen in sehr empfindlichen Sensoren, denkbar ist auch ihre Verwendung in biegsamen Solarpanels. Diese Eigenschaft ist im Hinblick auf den wachsenden Bedarf an erneuerbaren Energie­quellen besonders interessant.

Licht in einem bestimmten Bereich des Farbspektrums wird in Halbleitern durch das Zerstrahlen positiver und negativer elektrischer Ladungen erzeugt. Wegen ihrer unterschiedlichen Polaritäten ziehen sich die entgegengesetzten Ladungen an und können sich zu neuen Verbundteilchen, d.h. Exzitonen, mit veränderten Eigenschaften zusammen­schließen. Physiker der Universität Bremen haben im Rahmen der Grundlagen­forschung zu den neuen Materialien eine Methode entwickelt, mit der diese Verbund­teilchen sichtbar gemacht und studiert werden können.

Die Wissenschaftler haben analysiert, wie dieses Auftreten der Verbund­teilchen von der Anzahl der Ladungen abhängt, die man bei einer Leuchtdiode von außen steuern kann. „Die ungleichen Ladungen zeigen hierbei ein Verhalten ganz ähnlich dem von Tänzern auf einer unterschiedlich bevölkerten Tanz­fläche. Ist die Dichte gering, befinden sich also sehr wenige Tänzer auf der Fläche, so finden sich keine Partner und jeder tanzt für sich allein. Auf einer gut gefüllten Tanzfläche hingegen finden sich Paare zusammen und tanzen ungestört jedes für sich. Eine übervolle Tanz­fläche schließlich führt zu ständigen Kollisionen der Paare, so dass diese sich trennen und jeder wieder allein tanzt.“, erläutert Nachwuchs­wissenschaftler Alexander Steinhoff.

„Wir konnten zeigen, dass die Verbund­teilchen mittels der sogenannten Photo­elektronen­spektroskopie sichtbar gemacht werden können“, erklärt er. „Hierbei wird ein hoch­energetisches Licht­teilchen eingestrahlt. Das zusammengesetzte Teilchen wird zerschlagen und seine Bestand­teile aus dem Halbleiter heraus­gelöst und detektiert, um auf die Struktur des Verbund­teilchens zu schließen.“

Die Autoren regen an, diese Erkenntnisse zu nutzen. Das Verhältnis zwischen freien und gepaarten Ladungen beeinflusst direkt die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials. Es kann durch gezielte Strukturierung der Umgebung gesteuert werden, auf die atomar dünne Materialien sehr sensitiv reagieren. Die Wissenschaftler leisten hiermit einen wichtigen Beitrag für die Handhabung des „Lego-Baukastens“ und die Herstellung von ultra­dünnen opto­elektronischen Bauteilen mit maß­geschneiderten Eigenschaften.

U. Bremen / DE

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