Kontrolle der optischen Eigenschaften von irregulär nanotexturierten Schichten durch Anderson Lokalisierung

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Aeschlimann; Professor Dr. Tobias Brixner; Professor Dr. Walter Pfeiffer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410519108

Dieses Projekt kombiniert Experiment, Theorie und Nanotechnologie, um ein universelles Designprinzip für ungeordnete dünne Schichten zu identifizieren, das die effiziente Lokalisierung von Licht gewährleistet. Der Einfang von Licht durch in der Schicht lokalisierte Moden verstärkt die Licht-Materie-Wechselwirkung und damit auch die Absorption. Obwohl es bereits bekannt ist, dass ungeordnete nanotexturierte Absorberschichten stärker absorbieren, sind die zugrundeliegenden Mechanismen ungeklärt und es existieren keine klaren Designprinzipien für effiziente Absorberschichten. In Voruntersuchungen zur Lichtabsorption in nanotexturierten a-Si:H-Schichten konnten wir bereits zeigen, dass eine effiziente Anderson-Lokalisierung von Licht stattfindet und dies die Gesamtabsorption im untersuchten Wellenlängenbereich dominiert.Zur Identifizierung der kritischen - die Lichtlokalisierung bestimmenden - Textureigenschaften werden wir die Unordnung der Schicht systematisch variieren. Anfänglich dienen a-Si:HSchichten als Modellsystem, da hierfür die Anwendbarkeit der eingesetzten Methoden bereits erfolgreich demonstriert ist. Späterwerden auch andere Materialien, wie beispielsweise Metallhalogenid-Perovskite oder transparente leitfähige Oxide (TCO) mit großer Bandlücke, untersucht. Zur Nanotexturierung kommen top-down- (focused ion beam (FIB)) und bottom-up-Methoden (Kontrolle der Wachstumsbedingungen, Ätzen) zum Einsatz. Die resultierende Schicht-Topologie wird mittels TEM, SEM und AFM charakterisiert. Der Lichteinfang und der lokal erhöhte Energieeintrag werden mittels Spektromikroskopie des Streulichtes und der neu entwickelten Glühemissionsmikroskopie untersucht. Letztere Methode liefert durch Kombination mit der kohärenten 2D Nanoskopie auch spektrale Information über die für den Lichteinfang verantwortlichen Moden bei einer räumlichen Auflösung von < 50 nm. Der erste Meilenstein des Projekts ist die Demonstration der Lokalisierung von Licht in Schichten, die durch Einsatz einer top-down-Strukturierungsmethode nanotexturiert wurden. Der Einsatz von top-down-Methoden erlauben eine systematische Variation der Unordnung und damit die Identifizierung von allgemeinen Designprinzipien für effizienten Lichteinfang. Die Identifizierung kritischer Strukturparameter wird durch theoretischeModellierung (FDTD) der photonischen Eigenschaften der Schichten unterstützt. Durch Anpassung der Kopplungsstärke zwischen den lokalisierten Moden und dem externen Feld soll kritische Kopplung eingestellt werden, d.h., dass die Kopplung zum externen Feld gleich der internen Verluste ist. In diesem Fall wird perfekte Absorption durch die lokalisierten Moden erwartet. Außerdem wird durch den Einsatz von Materialien mit geringerer Absorption untersucht, ob sich bei der Lichtlokalisierung in ungeordneten Schichten auch zufällige optische Resonatoren mit hoher Güte ausbilden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1839: Tailored Disorder - A science- and engineering-based approach to materials design for advanced photonic applications