Halfgeleiders zijn alomtegenwoordig in de moderne technologie en werken eraan om de stroom van elektriciteit mogelijk te maken of te voorkomen. Om het potentieel van tweedimensionale halfgeleiders voor toekomstige computer- en fotovoltaïsche technologieën te begrijpen, onderzochten onderzoekers van de universiteiten van Göttingen, Marburg en Cambridge de binding die ontstaat tussen de elektronen en gaten in deze materialen.

Door een speciale methode te gebruiken om de binding tussen elektronen en gaten te verbreken, konden ze microscopisch inzicht krijgen in ladingsoverdrachtsprocessen over een halfgeleiderinterface. De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances .

Wanneer licht op een halfgeleider schijnt, wordt de energie ervan geabsorbeerd. Als gevolg hiervan combineren negatief geladen elektronen en positief geladen gaten in de halfgeleider om paren te vormen, bekend als excitonen. In de modernste tweedimensionale halfgeleiders hebben deze excitonen een buitengewoon hoge bindingsenergie.

In hun onderzoek stelden de onderzoekers zichzelf de uitdaging om het gat van het exciton te onderzoeken.

Natuurkundige en eerste auteur Jan Philipp Bange van de Universiteit van Göttingen legt uit:‘In ons laboratorium gebruiken we foto-emissiespectroscopie om te onderzoeken hoe de absorptie van licht in kwantummaterialen leidt tot ladingsoverdrachtsprocessen. Tot nu toe hebben we ons geconcentreerd op de elektronen die maken deel uit van het elektron-gat-paar, dat we kunnen meten met behulp van een elektronenanalysator. Tot nu toe hadden we geen enkele manier om rechtstreeks toegang te krijgen tot de gaten zelf. We waren dus geïnteresseerd in de vraag hoe we 'niet' konden karakteriseren alleen het elektron van het exciton, maar ook het gat."

Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten de onderzoekers, onder leiding van dr. Marcel Reutzel en professor Stefan Mathias van de natuurkundefaculteit van de Universiteit van Göttingen, een speciale microscoop voor foto-elektronen in combinatie met een laser met hoge intensiteit. Daarbij leidt het uiteenvallen van een exciton tot energieverlies in het in het experiment gemeten elektron.

Reutzel legt uit:"Dit energieverlies is kenmerkend voor verschillende excitonen, afhankelijk van de omgeving waarin het elektron en het gat met elkaar interageren." In de huidige studie gebruikten de onderzoekers een structuur bestaande uit twee verschillende atomair dunne halfgeleiders om aan te tonen dat het gat van het exciton van de ene halfgeleiderlaag naar de andere overgaat, vergelijkbaar met een zonnecel. Het team van professor Ermin Malic aan de Universiteit van Marburg kon dit proces van ladingsoverdracht verklaren met een model dat beschrijft wat er op microscopisch niveau gebeurt.

Mathias zegt:‘In de toekomst willen we de spectroscopische signatuur van de interactie tussen elektronen en gaten gebruiken om nieuwe fasen in kwantummaterialen op ultrakorte tijds- en lengteschalen te bestuderen. Dergelijke studies kunnen de basis vormen voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën en we hoop hier in de toekomst aan bij te dragen."

Meer informatie: Jan Philipp Bange et al., Onderzoek naar de Coulomb-correlaties tussen elektronen en gaten in het excitonlandschap van een verwrongen halfgeleider-heterostructuur, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi1323

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Universiteit van Göttingen