Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nanotechnologie

Dünne Schicht im Licht

München, 16.01.2017

LMU-Wissenschaftler haben die optischen Eigenschaften neuartiger ultradünner Halbleiter untersucht und dabei eine Methode entwickelt, solche Materialien schnell und effizient zu charakterisieren.

Lichtmikroskopische Aufnahme zweidimensionaler Kristalle des Dünnschichthalbleiters Molybdändisulfid. Bild: Hisato Yamaguchi (Los Alamos National Laboratory, USA)

Es sind neuartige Halbleiter mit verblüffenden optischen Eigenschaften: Chemische Verbindungen mit Elementen aus der Gruppe der Übergangsmetalle können so präpariert werden, dass zweidimensionale Kristalle aus einer einzigen Schicht von Atomen entstehen. Ein Team von LMU-Physikern um Alexander Högele hat nun in Kooperation mit amerikanischen Wissenschaftlern die Eigenschaften solcher einlagigen Halbleiter aus sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogeniden untersucht. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Nature Nanotechnology.

Die neuartigen Halbleiter haben eine besonders starke Licht-Materie-Wechselwirkung und damit ein großes Potenzial für verschiedene opto-elektronische Anwendungen. Zudem können Elektronen im Halbleiter mit polarisiertem Licht angeregt werden. „Zirkular polarisiertes Licht erzeugt Ladungsträger, die sich zyklisch entweder rechts- oder linksdrehend bewegen. Ihre Bewegung ist also durch den Drehsinn quantisiert, was durch den sogenannten Valley-Index beschrieben und als Valley-Polarisation detektiert wird“, sagt Högele. Den Gesetzen der Quantenmechanik folgend lässt sich der Valley-Index daher analog zum quantisierten Spin als Basisgröße für Anwendungen nutzen, die bis hin zum Quantencomputer reichen könnten.

Allerdings ist der Stand der Forschung zum Valley-Index recht kontrovers: In verschiedenen Studien weltweit wurden unterschiedliche Werte für die Valley-Polarisation von Halbleitern beobachtet. Die Ursachen solcher Varianzen konnten die Wissenschaftler nun am Beispiel des Dünnschichthalbleiters Molybdändisulfid mithilfe einer neu entwickelten polarimetrischen Methode aufklären: „Die Antwort auf polarisiertes Licht hängt stark von der Kristallqualität ab und kann daher innerhalb ein und desselben Kristalls deutlich variieren“, sagt der Physiker. „Der von uns gefundene Zusammenhang zwischen Kristallqualität und Valley-Polarisation kann künftig helfen, die für quantentechnologische Anwendungen wichtigen Probenparameter schnell und effizient zu bestimmen.“

Zudem kann die neue Methode auch auf andere einlagige Halbleiter und sogar auf Systeme aus mehreren solcher Materialien angewendet werden. Dadurch könnten zukünftig Bauelemente auf Grundlage dieser neuen atomar dünnen Halbleiter wie etwa neue LEDs schnell und effizient auf ihre Funktionalität untersucht werden.
Nature Nanotechnology 2017