Dunkle Halbleiter zum Leuchten gebracht
Lumineszenz extrem dünner Proben des Halbleiters Wolframdiselenid.
Ob Festkörper etwa als Leuchtdioden Licht aussenden können oder nicht, hängt von den Energieniveaus der Elektronen im Kristallgitter ab. Einem internationalen Team um die Oldenburger Physiker Hangyon Shan und Christian Schneider ist es nun gelungen, die Struktur der Energieniveaus in einer extrem dünnen Probe des Halbleiters Wolframdiselenid so zu manipulieren, dass das Material, welches normalerweise eine reduzierte Lumineszenzausbeute hat, zu leuchten begann.
Den Forschenden zufolge ist das Ergebnis ein erster Schritt auf dem Weg, Materialeigenschaften durch Lichtfelder steuern zu können. „Die Idee wurde schon seit Jahren diskutiert, bisher aber noch nicht überzeugend umgesetzt“, sagt Schneider. Der Effekt könnte beispielsweise nützlich sein, um die optischen Eigenschaften von Halbleitern zu optimieren, etwa um neue LEDs, Solarzellen oder optische Bauteile entwickeln zu können. Insbesondere organische Halbleiter, die etwa in biegsamen Bildschirmen, flexiblen Solarzellen oder als Sensoren innerhalb von Textilien zum Einsatz kommen, könnten auf diese Weise verbesserte optische Eigenschaften erhalten.
Wolframdiselenid gehört zu einer ungewöhnlichen Klasse von Halbleitern, die aus einem Übergangsmetall und einem der Elemente Schwefel, Selen oder Tellur bestehen. Die Forschenden verwendeten in ihrem Experiment eine zweidimensionale Probe, die nur aus einer einzigen, wie ein Sandwich aufgebauten Kristallschicht aus Wolfram- und Selen-Atomen bestand. In diesem Quantenmaterial verhalten sich die Ladungsträger völlig anders verhalten als in dickeren Festkörpern. Das Team um Shan und Schneider platzierte nun die Wolframdiselenid-Probe zwischen zwei speziell präparierten Spiegeln und regte das Material mit einem Laser an. So gelang es ihnen, eine Kopplung zwischen Lichtteilchen und angeregten Elektronen zu erzeugen.
„In unserer Studie zeigen wir, dass man die Struktur der elektronischen Übergänge durch diese Kopplung umordnen kann, so dass ein dunkles Material zu einem hellen Material wird“, erläutert Schneider. „Der Effekt ist in unserem Experiment so stark, dass der tiefste Zustand von Wolframdiselenid optisch aktiv wird.“ Das Team wies außerdem nach, dass die experimentellen Resultate sehr gut mit den Vorhersagen eines theoretischen Modells übereinstimmen. Die aktuelle Arbeit ist das Resultat einer Kooperation der Oldenburger Forscher mit Kollegen von der Universität Reykjavik (Island), der Universität Würzburg, der Universität Jena, der Arizona State University (USA) und des Nationalinstituts für Materialwissenschaften in Tsukuba (Japan). Teile der Theorie wurden von Kollegen der Universität St. Petersburg entwickelt, bevor die Universitäten ihre Kooperationen eingestellt haben.
UOL / JOL
