Forschung & Entwicklung

Atomar dünne Materialien für optoelektronische Bauteile

Neue Forschungsergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis neuartiger atomar dünner Materialien für effiziente biegsame Displays auf gekrümmten Oberflächen.

Die Einsatzmöglichkeiten von Displays sind beschränkt, da herkömmliche Halbleitermaterialien eher unflexibel und starr sind. Mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) können zwar biegsame Displays hergestellt werden, jedoch sind Lebensdauer und Lichtausbeute niedriger als bei anorganischen LEDs.

Nun sind Materialien im Gespräch, die extrem dünn sind, sehr intensiv leuchten und sich zugleich einfach herstellen lassen. Eine zentrale Idee ist hierbei das Prinzip ähnlich des Lego-Baukastens. Man kombiniert die Funktionalitäten leuchtender und elektrisch leitender atomar dünner Materialien miteinander, indem man sie direkt aufeinanderstapelt. Die auf diese Weise erzeugten Materialien weisen eine enorme mechanische Stabilität auf. Sie leuchten nicht nur sehr gut, sie absorbieren auch Licht und können es in Strom umwandeln. Es gibt bereits erste Anwendungen in empfindlichen Sensoren, denkbar ist auch ihre Verwendung in biegsamen Solarpanels. Diese Eigenschaft ist im Hinblick auf den wachsenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen besonders interessant.

Wissenschaftler der Universität Bremen haben analysiert, wie das Auftreten von Exzitonen in diesen dünnen Materialien von der Anzahl der Ladungen abhängt, die man bei einer Leuchtdiode von außen steuern kann. Sie konnten außerdem zeigen, dass die Verbundteilchen mittels Photoelektronenspektroskopie sichtbar gemacht werden können. Hierbei wird ein hochenergetisches Photon eingestrahlt. Das zusammengesetzte Teilchen wird zerschlagen und seine Bestandteile aus dem Halbleiter herausgelöst und detektiert, um auf die Struktur des Verbundteilchens zu schließen.

Das Verhältnis zwischen freien und gepaarten Ladungen beeinflusst direkt die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials. Es kann durch gezielte Strukturierung der Umgebung gesteuert werden, auf die atomar dünne Materialien sehr empfindlich reagieren. Dies ist eine Grundlage für die Herstellung von ultradünnen optoelektronischen Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Graduiertenschule „Quantum Mechanical Materials Modelling“ an der Universität Bremen gefördert.

Originalveröffentlichung:

[A. Steinhoff et al., Exciton fission in monolayer transition metal dichalcogenide semiconductor, Nat. Commun. 8 (2017), DOI: 10.1038/s41467-017-01298-6]

von mn

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