Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Göttingen heeft voor het eerst de opbouw waargenomen van een fysiek fenomeen dat een rol speelt bij de omzetting van zonlicht in elektrische energie in 2D-materialen. De wetenschappers slaagden erin quasideeltjes - bekend als donkere Moiré-tussenlaag-excitons - zichtbaar te maken en hun vorming te verklaren met behulp van kwantummechanica. De onderzoekers laten zien hoe een in Göttingen nieuw ontwikkelde experimentele techniek, femtoseconde foto-emissie momentummicroscopie, diepgaande inzichten op microscopisch niveau oplevert, die relevant zullen zijn voor de ontwikkeling van toekomstige technologie. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature .

Atomair dunne structuren gemaakt van tweedimensionale halfgeleidermaterialen zijn veelbelovende kandidaten voor toekomstige componenten in de elektronica, opto-elektronica en fotovoltaïsche technologie. Interessant is dat de eigenschappen van deze halfgeleiders op een ongebruikelijke manier kunnen worden gecontroleerd:net als Legoblokjes kunnen de atomair dunne lagen op elkaar worden gestapeld.

Er is echter nog een belangrijke truc:terwijl Legoblokjes alleen bovenop kunnen worden gestapeld - direct of gedraaid in een hoek van 90 graden - kan de rotatiehoek in de structuur van de halfgeleiders worden gevarieerd. Juist deze draaihoek is interessant voor de productie van nieuwe typen zonnecellen. Hoewel het veranderen van deze invalshoek doorbraken voor nieuwe technologieën kan onthullen, leidt het ook tot experimentele uitdagingen.

In feite hebben typische experimentele benaderingen alleen indirecte toegang tot de moiré-tussenlaag-excitons, daarom worden deze excitonen gewoonlijk "donkere" excitonen genoemd. "Met behulp van femtoseconde foto-emissiemomentummicroscopie zijn we erin geslaagd om deze donkere excitonen zichtbaar te maken", legt Dr. Marcel Reutzel uit, junior onderzoeksgroepleider aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Göttingen. "Hierdoor kunnen we meten hoe de excitonen worden gevormd op een tijdschaal van een miljoenste van een miljoenste milliseconde. We kunnen de dynamiek van de vorming van deze excitonen beschrijven met behulp van de kwantummechanische theorie ontwikkeld door de onderzoeksgroep van professor Ermin Malic in Marburg. "

"Deze resultaten geven ons niet alleen een fundamenteel inzicht in de vorming van donkere Moiré-tussenlaag-excitonen, maar openen ook een volledig nieuw perspectief om wetenschappers in staat te stellen de opto-elektronische eigenschappen van nieuwe en fascinerende materialen te bestuderen", zegt professor Stefan Mathias, hoofd van de studeren aan de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Göttingen. "Dit experiment is baanbrekend omdat we voor het eerst de signatuur van het Moiré-potentiaal hebben gedetecteerd dat op het exciton is gedrukt, dat wil zeggen de impact van de gecombineerde eigenschappen van de twee getwiste halfgeleiderlagen. In de toekomst zullen we bestudeer dit specifieke effect verder om meer te weten te komen over de eigenschappen van de resulterende materialen."

Dit onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Atomair dunne halfgeleiders voor nanofotonica