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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Montag, 18. Februar 2019

Informationen speichern, auch bei Raumtemperatur

Halbleiterforschung

Fröhlich Exziton-Phonon Kopllung. Bild: U. Wurstbauer (Uni Münster)

Fröhlich Exziton-Phonon Kopllung. Bild: U. Wurstbauer (Uni Münster)

Essentiell für die Entwicklung neuer ultradünner Informationsträger ist es Anregungszustände, also die Information, zu stabilisieren. Den NIM-Physikern Prof. Ursula Wurstbauer, Prof. Alexander Holleitner und Prof. Alexander Högele gelang dies nun sogar schaltbar und bei Raumtemperatur. Der Weg ist frei für zukünftige „Valleytronik“-Anwendungen.

Wichtig für die effiziente Nutzung eines Halbleitermaterials vor allem auch im Hinblick auf eine Nutzung für Informationstechnologien sind dessen besondere energetische Eigenschaften.
Die Information wird in Halbleiterkristallen optisch durch Licht erzeugt. Dafür wird ein sogenanntes Exziton, ein beweglicher Anregungszustand der sich wie eine Welle ausbreitet, angeregt. Bislang war solch ein angeregter, informationstragender Zustand des Exzitons, der auch als Valley-Polarisierung bezeichnet wird, in der Praxis nur bei niedrigen Temperaturen (100 K, etwa flüssiger Stickstoff) stabil.
Die NIM-Physiker Professor Öffnet externen Link in neuem FensterUrsula Wurstbauer, Professor Öffnet externen Link in neuem FensterAlexander Holleitner und Professor Öffnet externen Link in neuem FensterAlexander Högele konnten nun den grundlegenden Mechanismus aufzeigen, der für den Verlust der Polarisierung bei steigenden Temperaturen verantwortlich ist. Gleichzeitig haben sie eine Methode entwickelt, mit der dieser Vorgang auch bei erhöhten Temperaturen (220 K) und sogar Raumtemperatur unterdrückt werden kann.
Ihre beeindruckenden Ergebnisse mit einer Erhöhung der Valley-Polarisierung um 20 % und mehr beschreiben sie in ihrem neuen Artikel in Öffnet externen Link in neuem FensterNature Communcations.

Effiziente Monolayer
Molybdändisulfid (MoS2) als ein Vertreter der zweidimensionalen Übergangsmetall-Dichalkogenid-Halbleiter ist aufgrund seiner Stabilität gegenüber Sauerstoff, Wasser und verdünnten Säuren, und der extrem hohen Schmelztemperatur bestens geeignet als Ausgangmaterial in der Entwicklung neuer Informationsträger-Bauelemente.
Zusätzlich reagiert MoS2 schon in ultradünnen Monolayern sehr sensibel bei lichtabhängigen Prozessen. So können sogenannte Valley-Freiheitsgrade, bestimmte Energielevel im Kristallgitter, optisch selektiv adressiert und mit Ladungsträgern befüllt werden. Diesen Zustand des Valley-Freiheitsgrades zu stabilisieren ist die Voraussetzung für verlustfreie Informationsträger und eine industrielle Anwendung.

Den angeregten Zustand stabilisieren
Theoretisch sollte die Valley-Polarisierung nach der Anregung mit Licht auch bei Raumtemperatur stabil sein, in der Praxis stellte sich dies bisher allerdings anders dar. Die Physiker konnten nun zeigen, dass die Polarisierung der Exzitonen durch die Kopplung an bestimmte Gitterschwingungen, sogenannte Phononen, im Kristall fast vollständig zusammenbricht.
„Bildlich kann man den Depolarisationsprozess, insbesondere bei höheren Temperaturen, mit der Kopplung von um sich selbst rotierenden Exzitonen und Phononen, vorstellen“, erklärt Ursula Wurstbauer, „und diese Bewegung breitet sich dann wie eine ebene Wellenfront auf einem Gewässer aus.“ Diese Kopplung der Exzitonen an longitudinale optische Phononen wird als Fröhlich-Exziton-Phonon-Wechselwirkung bezeichnet und beschleunigt die Depolarisierung.
„Durch die Dotierung des Halbleiters mit vielen Elektronen kann die Kopplung zwischen Exziton und Phonon nachhaltig unterdrückt werden“, erläutert Wurstbauer die Grundlage ihrer neuen Strategie zur Stabilisierung der Valley-Polarisierung.
„Der dahinterstehende Mechanismus ist die Abschirmung des durch die Gitterschwingungen erzeugten oszillierenden elektrischen Feldes durch die zugefügten mobilen Elektronen. Die Abschwächung des elektrischen Feldes unterdrückt die Kopplung der Exzitonen daran“, so die Physikerin weiter. „Um wieder zum Bild des Wassers zurückzukehren: Man füllt sozusagen einen See voll mit Elektronen und glättet so die periodischen Schwankungen des elektrischen Feldes. Somit wird nach der Anregung eines Valley-polarisierten Exzitons mit Licht deren Streuung an den Phononen abgeschirmt.“
Das gewonnene grundlegende Verständnis über Depolarisations-Mechanismen erlaubte es den Forschern, eine Strategie zu entwickeln, die die Valley-Polarisation erfolgreich stabilisiert. Durch das Dotieren des Halbleiters mit Elektronen wird der Verlust der Valley-Polarisierung gezielt schaltbar. Weiterer Vorteil einer solchen Vorgehensweise ist, dass parallel auch die Streuungseffekte durch Verunreinigungen und Gitterfehler im Material reduziert werden.

Publikation:
Tuning the Fröhlich exciton-phonon scattering in monolayer MoS2. Miller B, Lindlau J, Bommert M, Neumann A, Yamaguchi H, Holleitner A, Högele A, Wurstbauer U. Nature Communications 10, 807 (2019), DOI: Öffnet externen Link in neuem Fenster10.1038/s41467-019-08764-3

Kontakte:
Prof. Dr. Ursula Wurstbauer
Dynamik an Grenzflächen
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Wilhelm-Klemm-Straße 10
D – 48149 Münster

Tel.: +49 (0)251-83 33609

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailwurstbauer(at)uni-muenster.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.uni-muenster.de/Physik.PI/Wurstbauer/

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.wsi.tum.de/views/sub_group.php

Prof. Dr. Alexander Holleitner
Physik Department
Walter-Schottky-Institut und Center for Nanotechnology and Nanomaterials
Technische Universität München
Am Coulombwall 4
D – 85748 Garching

Tel.: +49-(0)89-289 11575

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailholleitner(at)wsi.tum.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.wsi.tum.de/views/sub_group.php

Prof. Dr. Alexander Högele
Nanophotonik
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität München
Geschwister-Scholl-Platz 1
D – 80539 München

Tel.: +49-(0)89-2180 1457

E-Mail: Öffnet ein Fenster zum Versenden der E-Mailalexander.hoegele(at)lmu.de

Web: Öffnet externen Link in neuem Fensterwww.nano.physik.uni-muenchen.de/nanophotonics/

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