Exziton-Transport in atomar dünnen Halbleitern bei tiefen Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr. Rudolf Bratschitsch; Professor Dr. Ermin Malic
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512604469

Halbleitende Monolagen aus Übergangsmetall-Dichalkogeniden (TMDs) sind atomar dünn, biegsam, weisen eine beachtliche Lichtemission und eine ultraschnelle Nichtgleichgewichtsdynamik auf, und gelten als vielversprechende Kandidaten für neuartige Technologien im Bereich der Optoelektronik. Durch die starke Coulomb-Wechselwirkung entstehen gebundene Elektron-Loch-Paare, welche in TMDs eine große Vielfalt an hellen und optisch unzugänglichen dunklen Exzitonen besitzen. Aufgrund ihrer großen Bindungsenergie dominieren Exzitonen sogar bei Raumtemperatur die Optik-, Dynamik- und Transport-Eigenschaften der TMDs. Der Ladungsträgertransport ist für die Nanoelektronik von entscheidender Bedeutung. Bei herkömmlichen Materialien kann dieser Transport einfach durch externe elektrische Felder gesteuert werden. TMDs werden jedoch von stark gebundenen Exzitonen dominiert, die als neutrale Teilchen nur unzureichend elektrisch beeinflusst werden können. Kürzlich wurde mechanische Dehnung als Methode vorgestellt, um den Exziton-Transport in TMDs zu kontrollieren. Durch dehnungsinduzierte Energiegradienten können Exzitonen in mikrometergroßen Trichtern eingefangen werden. Dies geschieht normalerweise in Regionen starker Dehnung, da dort die Exziton-Energie minimal ist. Kürzlich haben wir jedoch genau das entgegengesetzte Verhalten demonstriert. Dabei werden Exzitonen überraschenderweise bei bestimmten Bedingungen in die entgegengesetzte Richtung geleitet („Anti-Trichter“). Das Hauptziel dieses gemeinsamen Theorie-Experiment-Antrags besteht darin, ein mikroskopisches Verständnis der Vielteilchenprozesse zu erlangen, die dem Exziton-Transport in atomar dünnen Halbleitern unter dem Einfluss von homogener und inhomogener Dehnung zugrunde liegen. Wir werden räumlich und zeitlich aufgelöste Photolumineszenz in gedehnten TMDs bei kryogenen Temperaturen durchführen und diese mit einer mikroskopischen Vielteilchentheorie kombinieren, die es uns ermöglicht, den Transport von Exzitonen zeitlich, energetisch und räumlich aufzulösen. Unser Ziel ist es, alle relevanten Vielteilchenprozesse mikroskopisch aufzuschlüsseln, einschließlich Erzeugung, Thermalisierung, Zerfall und Transport von Exzitonen. Insbesondere untersuchen wir (i) die Exziton-Diffusion bei tiefen Temperaturen in homogen gedehnten TMDs, (ii) den Trichter- und Anti-Trichter-Effekt bei tiefen Temperaturen in inhomogen gedehnten TMDs mit dem Schwerpunkt auf der Phonon- und Defekt-induzierten Aktivierung dunkler Exzitonen, und (iii) die optische Kontrolle des Exziton-Transports durch Variieren der optischen Anregungsbedingungen. Unsere gemeinsame Theorie-Experiment-Studie wird einen bedeutenden Schritt in Richtung des mikroskopischen Verständnisses des Exziton-Transports darstellen, der auch ein Schlüssel für die Realisierung von neuartigen optoelektronischen Bauelementen basierend auf atomar dünnen Halbleitern ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen