Hauchdünne Halbleiterschichten

Untergrund beeinflusst Halbleiter-Monolagen

Hauchdünne Halbleiterschichten verhalten sich unterschiedlich, je nachdem, auf welchem Untergrund sie aufgebracht sind. Das hat ein Team um den Physiker Dr. Arash Rahimi-Iman von der Philipps-Universität Marburg herausgefunden. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler veröffentlichen ihre Ergebnisse im Fachblatt „2D materials“.

An Schichtdienst gewöhnt: Das Marburger Kernteam der Studienautoren besteht aus (von links) Dr. Arash Rahimi-Iman, Sina Lippert und Lorenz Maximilian Schneider von der Marburger Arbeitsgruppe Experimentelle Halbleiterphysik. (Foto: Philipps-Universität Marburg / AG Experimentelle Halbleiterphysik)

Halbleitermaterialien stecken in vielen Geräten, beispielsweise in Bauteilen von Computern, in Solarzellen, in Fotodetektoren und Leuchtdioden. „Interessanterweise werden einige Halbleiter wie Wolframdiselenid, Molybdändisulfid und andere erst beim Übergang vom dreidimensionalen Kristall zum zweidimensionalen Material optisch aktiv“, sagt Lorenz Maximilian Schneider, der sich mit Sina Lippert die Erstautorenschaft an der Studie teilt. Beide übernahmen den Großteil der experimentellen Arbeiten, um zu erforschen, wie sich bekannte Materialien verhalten, wenn sie als so genannte Monolage vorliegen. Darunter versteht man ultradünne Schichten, deren Schichtdicke nur so groß ist wie ein einzelnes Molekül – es liegen also niemals mehrere Moleküle übereinander.

Das Forschungsteam brachte Wolframdiselenid auf eine ganze Reihe von verschiedenen Untergründen oder Substraten auf, um sie anschließend optisch zu untersuchen. „Mit eigens in Marburg hergestellten, zweidimensionalen Materialien bestand ein Pool von Proben, die sehr systematisch verglichen werden konnten“, erläutert Lippert. „Dadurch konnten wir neue Aussagen über den Einfluss des Substratmaterials auf optische Eigenschaften von Wolframdiselenid treffen.“

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Die Ergebnisse fassten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in ihrer aktuellen Studie zusammen: Unter anderem beeinflusst der Untergrund offenbar stark, wie schnell Quasiteilchen zerfallen – dabei handelt es sich um Paare aus Elektronen und Löchern, also Stellen im Halbleiter, an denen Elektronen fehlen. Beim Zerfall strahlt das Material Licht ab, das zur Messung genutzt werden kann.

Das Team profitierte unter anderem von der finanziellen Unterstützung durch den Marburger Sonderforschungsbereich „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Die Förderung ermöglichte eine Verbesserung des Messaufbaus, wodurch die mikroskopischen Untersuchungen erleichtert wurden.

„In Zukunft möchten wir die Arbeiten in Richtung gestapelter Schichtsysteme ausweiten“, erklärt Seniorautor Rahimi-Iman. Dabei geht es darum, dreidimensionale Halbleiter aus verschiedenartigen 2D-Materialien nach Belieben zusammenzusetzen, zum Beispiel für Photodetektoren, Solarzellen oder Leuchtdioden.

Dr. Arash Rahimi-Iman ist Mitarbeiter des Wissenschaftlichen Zentrums für Materialwissenschaften sowie der Marburger Arbeitsgruppe Experimentelle Halbleiterphysik von Professor Dr. Martin Koch. Außer Marburger Forscherinnen und Forschern beteiligten sich Arbeitsgruppen von der Columbia Universität sowie vom „Stevens Institute of Technology“ aus den USA an der Publikation. Neben der Deutschen Forschungsgemeinschaft förderten der Forschungsförderfonds der Philipps-Universität sowie der Deutsche Akademische Austauschdienst durch sein „RISE“-Programm die Forschungsarbeiten, die der Veröffentlichung zugrunde liegen.

Originalpublikation:
Sina Lippert, Lorenz Maximilian Schneider & al.: Influence of the Substrate Material on the Optical Properties of Tungsten Diselenide Monolayers, 2D materials 2017.

Weitere Informationen:
Dr. Arash Rahimi-Iman
AG Experimentelle Halbleiterphysik
E-Mail: a.r-i@physik.uni-marburg.de

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