Schwingungen bringen Kristall zum Leuchten

Ultradünne 2D-Materialien stehen derzeit wegen ihrer vielseitigen Eigenschaften stark im Fokus der Nanoforschung. Zu diesen Materialien gehören auch sogenannte Übergangsmetall-Dichalkogenide, die viele interessante optische Eigenschaften besitzen, deren physikalische Grundlagen noch nicht vollständig verstanden sind. LMU-Physiker um Professor Alexander Högele haben das Dichalkogenid Wolframdiselenid im Detail untersucht und zeigen: Damit Doppellagen dieses ultradünnen Halbleiterkristalls Licht emittieren können, müssen Gitterschwingungen im Kristallangeregt werden. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Communications.

Übergangsmetall-Dichalkogenide wie Wolframdiselenid sind besonders interessant, weil Einzel- und Doppellagen dieser Dünnschichtmaterialien unterschiedliche physikalische Charakteristiken aufweisen. Solche Verbindungen versprechen neue opto-elektronische Anwendungen oder neue Entwicklungen im Bereich der Quanten-Informationstechnologie. „Man kann die Lagen wie Legosteine übereinander stapeln und so Materialien mit neuen physikalischen Eigenschaften erzeugen“, sagt Jessica Lindlau, die Erstautorin der Arbeit. „Dieses Stapelprinzip haben wir auch in unserer Arbeit verwendet, um die Materialeigenschaften von Wolframdiselenid-Doppellagen zu entschlüsseln.“

Einzel- und Doppellagen von Wolframdiselenid unterscheiden sich in ihren charakteristischen Halbleiter-Eigenschaften. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass Einzellagen eine direkte Bandlücke aufweisen, während Doppellagen indirekte Halbleiter sind. Deshalb zeigen Doppellagen reduzierte Photolumineszenz mit reich strukturierten Spektren, die bisher nicht im Detail verstanden worden sind.

Mit selbst gebauten Tieftemperatur-Mikroskopen ist es den Physikern nun erstmals gelungen, den spektralen Fingerabdruck solcher Wolframdiselenid-Doppellagen zu untersuchen und deren Charakteristiken zu entschlüsseln. Dabei zeigte sich, dass beim Leuchten Schwingungen des Wolframdiselenid-Kristalls angeregt werden, und dass diese Kristallgitter-Schwingungen unbedingt für die Lichtemission erforderlich sind. „Interessanterweise haben wir außerdem einen starken Zusammenhang gefunden zwischen den Eigenschaften der Wolframdiselenid-Doppellagen und strukturellen Beschaffenheiten auf der Nanoskala, sogenannten Quantenpunkten, die durch den Herstellungsprozess unbeabsichtigt entstanden sind“, sagt Lindlau. „Somit können die Quantenpunkte als Sensoren für die Eigenschaften der Doppellage verwendet werden.“Nature Communications 2018