Auf der Jagd nach Polaritonen: Ein Weg zur Untersuchung der optoelektronischen Eigenschaften von van der Waals Heterostrukturen

• Antragsteller: Dr. Patryk Kusch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443275027

In diesem Projekt werden wir Exzitonen-Polaritonen in zwei dimensionalen van der Waals Heterostrukturen untersuchen und abbilden. Dabei werden wir Zwischenschicht-Exzitonen, sowie optische Moirémuster mit dem von uns entwickelten Wellenlängen durchstimmbaren Nahfeld Mikroskop, welches im sichtbaren spektralen Bereich arbeitet, studieren. In Van-der-Waals Heterostrukturen aus Dichalkogeniden von Übergangsmetallen (TMDs) lassen sich Exzitonen und Trionen anregen bei denen das Elektron aus einer Schicht mit einem Loch aus einer anderen Schicht gebunden ist. Wie gezeigt wurde haben diese Zwischenschicht-Exzitonen und Trionen eine sehr hohe Lebensdauer und können weit im Material propagieren, da sie nicht strahlend zerfallen können. Wir werden die Ausbreitung der Zwischenschicht-Exziton- und Trion-Polaritonen im realen Raum abbilden und deren fundamentalen Eigenschaften untersuchen. Dazu werden wir Nahfeldinterferenzmuster mit nanoskaliger Auflösung aufnehmen. Das zweite bemerkenswerte Merkmal der 2D-Heterostrukturen sind Moiré-Muster, die sich durch das Stapeln von zwei ausgerichteten Gittern (Orientierung, Gitterkonstante) ergeben. Wir wollen die Veränderung der lokalen atomaren Konfiguration visualisieren. Dazu werden wir den Absorptionskoeffizienten der Heterostrukturen im realen Raum mittels Nahfeldmikrokopie vermessen. Die Nahfeldmikroskopie reagiert sehr empfindlich auf kleinste Veränderungen im elektronischen Potential. Durch die Abstimmung der Anregungswellenlänge auf die Energie der elektronischen Übergänge des Moiré-Gitter werden wir im Stande sein dessen Einfluss auf die Polaritonenausbreitung aufzuzeigen. Darüber hinaus erwarten wir in den Nahfeldbildern die Visualisierung von Quantenpunkten, die durch die Modulierung der Bandstruktur auftreten können. Unsere Experimente werden für verschiedene Materialkombinationen durchgeführt. Durch die Kombination der nanoskaligen Mikroskopie mit der Fern- und Nahfeldspektroskopie werden die Lebensdauer der Exzitonen, deren Propagation und die Kopplungsstärke der Licht-Materie-Wechselwirkung ermittelt. Des Weiteren werden wir Techniken zur Charakterisierung von TMD van-der-Waals Heterostrukturen mittels optischer Spektroskopie entwickeln. Unser Projekt wird von einer starken Kooperation innerhalb des SPP 2D Materials zur Probenvorbereitung, Charakterisierung und theoretischen Modellierung profitieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Stephanie Reich