Ob ein Festkörper beispielsweise als Leuchtdiode (LED) Licht emittieren kann oder nicht, hängt von den Energieniveaus der Elektronen in seinem Kristallgitter ab. Einem internationalen Forscherteam unter der Leitung der Physiker Dr. Hangyong Shan und Prof. Dr. Christian Schneider von der Universität Oldenburg ist es gelungen, die Energieniveaus in einer hauchdünnen Probe des Halbleiters Wolframdiselenid so zu manipulieren, dass dieses Material, das normalerweise eine geringe Lumineszenzausbeute hat, zu leuchten begann. Das Team hat nun einen Artikel über seine Forschung im Wissenschaftsjournal veröffentlicht Naturkommunikation.
Laut den Forschern sind ihre Erkenntnisse ein erster Schritt, um die Eigenschaften von Materie durch Lichtfelder zu kontrollieren. „Die Idee wird seit Jahren diskutiert, aber noch nicht überzeugend umgesetzt“, so Schneider. Der Lichteffekt könnte genutzt werden, um die optischen Eigenschaften von Halbleitern zu optimieren und so zur Entwicklung innovativer LEDs, Solarzellen, optischer Komponenten und anderer Anwendungen beizutragen. Insbesondere die optischen Eigenschaften organischer Halbleiter – Kunststoffe mit halbleitenden Eigenschaften, die in flexiblen Displays und Solarzellen oder als Sensoren in Textilien eingesetzt werden – könnten so verbessert werden.
Wolframdiselenid gehört zu einer ungewöhnlichen Halbleiterklasse, die aus einem Übergangsmetall und einem der drei Elemente Schwefel, Selen oder Tellur besteht. Für ihre Experimente verwendeten die Forscher eine Probe, die aus einer einkristallinen Schicht aus Wolfram- und Selenatomen mit einer sandwichartigen Struktur bestand. In der Physik werden solche Materialien, die nur wenige Atomlagen dick sind, auch als zweidimensionale (2D) Materialien bezeichnet. Sie haben oft ungewöhnliche Eigenschaften, weil sich die darin enthaltenen Ladungsträger völlig anders verhalten als in dickeren Festkörpern und manchmal auch als „Quantenmaterialien“ bezeichnet werden.
Das Team um Shan und Schneider platzierte die Wolframdiselenid-Probe zwischen zwei speziell präparierten Spiegeln und nutzte einen Laser, um das Material anzuregen. Mit dieser Methode gelang es ihnen, eine Kopplung zwischen Lichtteilchen (Photonen) und angeregten Elektronen herzustellen. „In unserer Studie zeigen wir, dass durch diese Kopplung die Struktur der elektronischen Übergänge so umgeordnet werden kann, dass sich ein dunkles Material effektiv wie ein helles verhält“, erklärt Schneider. „Der Effekt in unserem Experiment ist so stark, dass der untere Zustand von Wolframdiselenid optisch aktiv wird.“ Das Team konnte auch zeigen, dass die experimentellen Ergebnisse in hohem Maße mit den Vorhersagen eines theoretischen Modells übereinstimmten.
Hangyong Shan et al, Aufhellung eines dunklen Monolayer-Halbleiters durch starke Licht-Materie-Kopplung in einem Resonator, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30645-5
Zur Verfügung gestellt von der Universität Oldenburg