Halbleiterphysik Dunkle Seite: Grundlegendes Phänomen der Solarenergie-Umwandlung sichtbar gemacht

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals ein grundlegendes physikalisches Phänomen sichtbar gemacht, das bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie mit zweidimensionalen Halbleitermaterialien eine Rolle spielt: die Entstehung von „dunklen“ Moiré-Interlagen-Exzitonen.

Dünn, dünner am dünnsten ... zweidimensionale Schichten, die aus nur wenigen Atomlagen bestehen, sind in vielen Anwendungsbereichen gefragt. So auch in der Photovoltaik, um damit dünne, leichte, transparente und preiswerte Solarzellen herzustellen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung von Marburger Physikern hat nun erstmals ein grundlegendes physikalisches Phänomen sichtbar gemacht, das bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie eine Rolle spielt. Den Forschern ist es gelungen, so genannte dunkle Moiré-Interlagen-Exzitonen sichtbar zu machen und deren Entstehung mit den Methoden der Quantenmechanik zu erklären. Die Forscher zeigen, wie eine in Göttingen neu entwickelte experimentelle Technik, die zeitaufgelöste Impulsmikroskopie, tiefste mikroskopische Einblicke zu diesen technologisch relevanten Fragestellungen liefert.

Atomar dünne Halbleiter mit großem Potenzial

Atomar dünne Strukturen aus zweidimensionalen Halbleitermaterialien sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Bauteile in der Elektronik, Optoelektronik und Photovoltaik. Die Eigenschaften dieser Halbleiter können auf faszinierende Weise kontrolliert werden: Wie Legosteine können die atomar dünnen Schichten aufeinandergestapelt werden. Es gibt allerdings einen weiteren wichtigen Trick: Während Legosteine nur gerade oder um 90 Grad gegeneinander verdreht gestapelt werden können, kann der Drehwinkel im Aufbau der Halbleiterstrukturen beliebig eingestellt werden, und genau dieser Drehwinkel ist für die Herstellung neuartiger Solarzellen interessant.

Während der Drehwinkel also ein bahnbrechender Kontrollparameter für neue Technologien sein kann, führt er auch zu experimentellen Herausforderungen: Typische experimentelle Ansätze haben nur indirekte Zugänge zu den Moiré-Interlagen-Exzitonen, sind quasi ‚blind‘ gegenüber den ‚dunklen‘ Exzitonen. „Mit Hilfe der zeitaufgelösten Impulsmikroskopie machen wir diese eigentlich dunklen Exzitonen sichtbar“, erklärt Dr. Marcel Reutzel, Nachwuchsgruppenleiter in der Fakultät für Physik an der Universität Göttingen. „So können wir messen, wie die Exzitonen auf der Zeitskala von dem Millionstel eines Millionstels einer Millisekunde ausgebildet werden. Wir können die Dynamik der Entstehung dieser Exzitonen in einer quantenmechanischen Theorie beschreiben, die die Forschergruppe von Professor Dr. Ermin Malic aus Marburg entwickelt hat.“

Neue Materialeigenschaften im Fokus

„Diese Ergebnisse ermöglichen uns nicht nur einen fundamentalen Einblick in die Entstehung dunkler Moiré-Interlagen-Exzitonen, sondern eröffnen zudem eine völlig neue Perspektive, die optoelektronischen Eigenschaften dieser neuen und faszinierenden Materialien zu studieren“, so Professor Dr. Stefan Mathias, Leiter der Studie am I. Physikalischen Institut der Universität Göttingen. „In unserem Experiment messen wir eine bahnbrechende Signatur des Moiré-Potenzials, d. h., den Einfluss der kombinierten Eigenschaften der beiden verdrehten Halbleiterschichten. In Zukunft werden wir genau diesen Effekt weiter studieren, um mehr über die resultieren Materialeigenschaften zu lernen.“

Quantenmaterialien

Ganze „Atom-Inseln“ miteinander verschränkt

Die beteiligten Forschungsgruppen profitierten von DFG-geförderten Sonderforschungsbereichen, den SFBs „Kontrolle von Energiewandlung auf atomaren Skalen“ und „Mathematik des Experiments“ in Göttingen sowie dem SFB „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ in Marburg. (Pressetext: Universität Göttingen)

Originalveröffentlichung: Schmitt et al.: Formation of moiré interlayer excitons in space and time, Nature 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04977-7

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