Forschung

Dunkle Halbleiter zum Leuchten gebracht

29.06.2022 - 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

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