Quasiteilchendynamik und optische Eigenschaften von Alkalimetall dotierten, geschichteten Übergangsmetalldichalkogenidverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr. Alexander Grüneis
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278161773

Ziel dieses Projektes ist es, die elektronischen und optischen Eigenschaften, den Spin und die Vielteilcheneffekte in neuartigen, zweidimensionalen (2D) Übergangsmetalldichalkogeniden (ÜMD) wie MoSe2 zu untersuchen und gezielt zu verändern. Das geplante Projekt verknüpft Synthese und Funktionalisierung mit einem multispektroskopischem Ansatz: spin- und winkelaufgelöste Photoemission, um die Bandstruktur und Renormalisierung zu untersuchen; Ramanstreuung, um die phononischen Eigenschaften und die Elektron-Phonon Kopplung zu untersuchen. Die Parameter, mit denen die physikalischen Eigenschaften kontrolliert werden können sind: (1) Schichtdicke, (2) Stapelreihenfolge, (3) Legierung, (4) Dotierung und (5) laterale Quantisierung. Es wird davon ausgegangen, dass diese Parameter eine weite Durchstimmbarkeit der physikalischen Eigenschaften erlauben, zum Beispiel der Spinpolarisierung, der Energielücke, Existenz von Ladungsdichtewellen und Supraleitung. Im speziellen bestimmt die Anzahl der Lagen in ÜMD die Spinpolarisierung: Systeme mit einer ungeraden Lagenanzahl haben voll spinpolarisierte Bänder. Da die Elektronenstruktur von zum Beispiel MoSe2 aus zwei Valleys besteht, die entgegengesetzten Spin haben, wird die Verwendung dieser Materialien of als Bausteine für Valleytronik angedacht. Dieser Nachfolger der Elektronik benützt den Index des Valleys als Informationsträger. Die Stapelung von unterschiedlichen ÜMD erlaubt es, Heterostrukturen mit aussergewöhnlichen optischen Eigenschaften zu erzeugen. Legierung (z.Bsp. Austausch von Mo und W oder von Se und S) erlaubt es, die volle Kontrolle über die Bandlücke zu erlangen. Alkalimetalldotierung transformiert halbleitende ÜMD in Metalle und die Ladungsträgerdichte, die mittels des (Erd)alkalimetalltyps eingestellt werden kann, bestimmt ob eine Ladungsträgerdichtewelle oder Supraleitung dominiert. Sollte das Wachstum von schmalen Streifen auf vizinalen Oberflächen möglich sein, könnte ein reichhaltiges Anregungsspektrum erzeugt werden, dass sich aus valley-abhängigen Auswahlregeln und Subbändern zusammensetzt. Durch van-Hove singularitäten, könnten bestimmte Absorptionsenergien durch die laterale Breite eingestellt werden. Die neuartigen Aspekte beziehen sich darauf, wie die Spinpolarisierung die Renormalisierung und die Streuraten verändert, wie sich der Typ des Dopanten auf die Ladungsträgerdichte auswirkt und wie man die Bandlücke duch Funktionalisierung und Quantisierung gezielt verändern kann. Die Machbarkeit des Vorhabens erscheint durch die Vorarbeiten der Antragsteller an Alkalimetall dotierten MoS2 Interkalationsverbindungen und Graphen als sehr günstig. Die erst kürzlich stattfindende Entwicklung in der Synthese von ÜMD mittels Molekularstrahlepitaxie kommt sehr gelegen und wird die Synthese von hochwertigen einkristallinen Proben ermöglichen. Das vorgeschlagene Projekt ermöglicht nicht Durchbrüche auf dem Gebiet der Physik von ÜMD sondern von 2D Materialien im Allgemeinen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen