Dunklen Halbleiter zum Leuchten gebracht

Internationales Forschungsteam unter Oldenburger Leitung setzt Idee erstmals experimentell um.

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 Dr. Hangyon Shan und Prof. Dr. 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. Das berichtet das Team in der Fachzeitschrift Nature Communications.

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 – also Kunststoffe mit halbleitenden Eigenschaften, die in 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 Probe, die nur aus einer einzigen, wie ein Sandwich aufgebauten Kristallschicht aus Wolfram- und Selen-Atomen bestand. Solche wenige Atomlagen dünnen Schichten werden in der Physik als zweidimensionale Materialien bezeichnet. Sie besitzen oft ungewöhnliche Eigenschaften, da sich die Ladungsträger darin völlig anders verhalten als in dickeren Festkörpern. Unter anderem spielen die Gesetze der Quantentheorie in den 2D-Halbleitern eine wichtige Rolle, weshalb Fachleute auch von „Quantenmaterialien“ sprechen.

Das Team um Shan und Schneider platzierte 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 beendeten.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Christian Schneider, Tel.: 0441/798-3116, E-Mail: christian.schneider@uol.de

Originalpublikation:

Hangyon Shan et al.: “Brightening of a dark monolayer semiconductor via strong light-matter coupling in a cavity”, Nature Communications 13, 3001 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30645-5

Weitere Informationen:

http://uol.de/quantenmaterialien