Warum ultradünne Schichten leuchten
Die Forschung um sogenannte zweidimensionale Materialien, die nur wenige Atomschichten dünn sind, hat in den vergangenen Jahren einen rapiden Aufschwung erlebt. Während ihr prominentester Vertreter Graphen vor allem mit herausragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften besticht, lassen sich in anderen Materialien auch interessante optische Effekte beobachten.
Die Studie
”Localized Intervalley Defect Excitons as Single-Photon Emitters in WSe2”, Physical Review Letters
Eines davon ist Wolfram-Diselenid. Es besteht aus einer zentralen Schicht aus Wolframatomen, an die von beiden Seiten Selen-Atome gekoppelt sind. Ähnlich wie Silizium, das die Basis für Leuchtdioden bildet, weist auch Wolfram-Diselenid Halbleitereigenschaften auf und ist deshalb in der Lage, bei geeigneter Anregung Licht zu emittieren.
Neben „gewöhnlichem“ Licht erzeugt das Material an bestimmten Punkten aber auch sehr helles Licht mit besonderen Eigenschaften. Es sendet dort einzelne Photonen einer bestimmten Frequenz aus, die ideal für Anwendungen in der Quantenkommunikation und der Quantenkryptographie geeignet sind.
Notwendige Defekte
„Bisher war der genaue Mechanismus aber nicht bekannt“, sagt Studienautor Lukas Linhart vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Anhand unserer Computersimulationen konnten wir nun das subtile Zusammenspiel zwischen lokalen Spannungen und Defekten im Material identifizieren, das für diesen Effekt verantwortlich ist.“
Wenn ein Halbleiter Licht emittiert, „fällt“ in seinem Inneren ein Elektron von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedriger Energie. Diese Energiedifferenz wird einem Photon mit auf den Weg gegeben. Da sich das Elektron dabei aber an gewisse Gesetze halten muss, ist ein solcher Übergang nicht überall möglich. Damit Wolfram-Diselenid einzelne Photonen emittiert, ist ein Defekt in seiner Gitterstruktur nötig.
Solche Defekte ergeben sich beispielsweise aus fehlenden oder überzähligen Atomen. Damit der Punkt hell genug leuchtet, braucht es wiederum einen Mechanismus, der für den nötigen Nachschub an Elektronen sorgt. „Das erledigen die Verspannungen im Material“, erklärte Linharts Institutskollege und Mitautor, Florian Libisch.
Solche Verspannungen entstehen, wenn man das dünne Material auf eine an sich glatte Oberfläche legt, aus der vereinzelt kleine Erhöhungen aufragen. „Man kann sich das vorstellen wie eine Tischdecke, die über einen Tisch ausgebreitet wird, auf dem noch einzelne Gegenstände liegen“, so Libisch. Nur dort, wo Verspannungen und Defekte zusammentreffen, sind auch die Voraussetzungen gegeben, um in schneller Reihenfolge einzelne Photonen auszusenden.
science.ORF.at/APA