Neuartige, ultradünne Nanomaterialien weisen bemerkenswerte Eigenschaften auf. Stapelt man beispielsweise einzelne atomar dünne Schichten von Kristallen in einer vertikalen Anordnung, können faszinierende physikalische Effekte auftreten. Beispielsweise können Doppelschichten des Wundermaterials Graphen, die um den magischen Winkel von 1,1 Grad verdreht sind, Supraleitung aufweisen. Und die Forscher richten ihr Augenmerk auch auf halbleitende Doppelschicht-Heterostrukturen aus sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogeniden, die schwach durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden.
Die Forschungsgruppe um Alexander Högele untersucht solche neuartigen Heterostrukturen, die in der Natur nicht vorkommen. „Die Kombination der Materialien, die Anzahl der Schichten und ihre relative Ausrichtung führen zu einer Vielzahl neuartiger Phänomene“, sagt der LMU-Physiker.
„Im Labor können wir physikalische Phänomene für verschiedene Anwendungen in der Elektronik, Photonik oder Quantentechnologie mit Eigenschaften maßschneidern, die in natürlich vorkommenden Kristallen unbekannt sind.“ Experimentell beobachtete Phänomene sind jedoch nicht immer einfach zu interpretieren, da ein neuer Artikel in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Nanotechnologie demonstriert.
Högeles Team untersuchte ein durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehaltenes Heterodoppelschichtsystem, das aus Halbleiter-Monoschichten aus Molybdändiselenid (MoSe2) und Wolframdiselenid (WSe2) hergestellt wurde. Je nach Ausrichtung der einzelnen Schichten können Moiré-Effekte entstehen.
Diese aus dem Alltag bekannten Effekte treten auch in der Nanowelt auf, wenn zwei unterschiedliche Atomgitter übereinander gestapelt oder zwei identische Gitter gegeneinander verdreht werden. Der Unterschied zum Nano-Gehäuse besteht darin, dass es sich nicht um einen optischen Effekt handelt. In der quantenmechanischen Welt der atomar dünnen Kristallheterostrukturen beeinflusst die Moiré-Interferenz die Eigenschaften des Verbundsystems dramatisch und wirkt sich auch auf Elektronen und stark gebundene Elektron-Loch-Paare oder Exzitonen aus, erklärt Högele.
„Unsere Arbeit zeigt, dass die naive Vorstellung eines perfekten Moiré-Musters in der Heterodoppelschicht MoSe2-WSe2 nicht unbedingt zutrifft, insbesondere für kleine Rotationswinkel. Daher muss die Interpretation der bisher beobachteten Phänomenologie teilweise revidiert werden“, sagt sie Högele. Statt periodischer Moiré-Muster gibt es seitlich ausgedehnte Bereiche, die frei von Moiré-Interferenzen sind.
Darüber hinaus gibt es Zonen mit interessanten quantenmechanischen Effekten wie eindimensionale Quantendrähte oder quasi nulldimensionale Quantenpunkte, die möglicherweise für Anwendungen in der Quantenkommunikation auf der Grundlage räumlich lokalisierter Exzitonen mit Einzelphotonenemissionseigenschaften geeignet sind. Im letzteren Fall wandeln sich vermutlich ideale Moiré-Muster in periodische Muster mit dreieckiger oder sechseckiger Kachelung um.
Der Grund scheint in einer elastischen Verformung der Gitterstruktur zu liegen, die von der Orientierung der Schichten abhängt. Die Atome werden aus ihrer Gleichgewichtslage verschoben, was zu Lasten einer erhöhten Spannung in einzelnen Schichten geht, aber eine bessere Haftung zwischen den Schichten fördert.
Das Ergebnis ist eine Energielandschaft im Heterodoppelschichtsystem, die durch rationales Design konstruiert und potenziell ausgenutzt werden kann. „Wir beobachten kollektive Phänomene auch in synthetischen Kristallen, wo sich periodische Moiré-Muster dramatisch auf die Bewegung von Elektronen sowie deren Wechselwirkungen auswirken“, sagt Högele.
Von entscheidender Bedeutung ist das Verständnis von Exzitonen – Elektron-Loch-Paaren – die für die unterschiedlichen Arten von Atomregistern in Doppelschicht-Kristall-Heterostrukturen charakteristisch sind und die potenziell in zukünftigen optoelektronischen Anwendungen genutzt werden könnten. Diese Exzitonen werden in halbleitenden Übergangsmetalldichalkogeniden durch Lichtabsorption erzeugt und wieder in Licht umgewandelt.
„Exzitonen wirken also als Vermittler der Licht-Materie-Wechselwirkung in Halbleiterkristallen“, sagt Högele. Wie die aktuelle Arbeit zeigt, entstehen je nach tatsächlicher Struktur der Heterodoppelschichtsysteme in paralleler oder antiparalleler Ausrichtung unterschiedliche Arten von Exzitonen. „Wir wollen lernen, wie man Van-der-Waals-Heterostrukturen mit maßgeschneiderten Eigenschaften in einem deterministischen Ansatz herstellt, um die reichhaltige Phänomenologie korrelierter Effekte wie Magnetismus oder Supraleitung zu kontrollieren.“
Mehr Informationen:
Shen Zhao et al, Exzitonen in mesoskopisch rekonstruierten Moiré-Heterostrukturen, Natur Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01356-9