Quasipartikel in 2D-Halbleiter

Fiktive Teilchen für die Elektronik von morgen

Von Janosch Deeg
07.05.2021
, 16:07
Was passiert, wenn sich Elektronen mit Lücken im Kristallgitter verbinden? Diese ungewöhnliche Liaison, Exziton genannt, soll neuartige Halbleiterbauteile ermöglichen. Die Voraussetzung sind geschaffen.

Wollen Physiker die komplexen Phänomene in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen beschreiben, greifen sie oft zu unkonventionellen Ansätzen. Dabei tun sie bisweilen so, als gebe es in der Materie neben Atomkernen und Elektronen weitere fiktive Partikel, die sie als Quasiteilchen bezeichnen. Entsprechend ihren realen Pendants ordnet man ihnen physikalische Eigenschaften wie Masse, Energie oder Impuls zu. Mit Quasiteilchen lassen sich komplizierte Prozesse plötzlich durchschauen – etwa solche, die sich in Halbleitern abspielen. Die fiktiven Teilchen dienen dabei aber nicht nur theoretischen Betrachtungen, sondern auch der Entwicklung neuartiger elektrischer und optischer Bauteile für die Elektronik von morgen. So haben Wissenschaftler von der École polytechnique fédérale de Lausanne vor drei Jahren einen Halbleitertransistor vorgestellt, in dem anstelle von Elektronen erstmals eine besondere Art von Quasiteilchen flossen, sogenannte Exzitonen.

Exzitonen bestehen aus einem negativ geladenen Elektron und einer positiv geladene Elektronenfehlstelle in einem Kristallgitter, auch Loch genannt. Diese Elektronen-Loch-Paare entstehen in einem Halbleiter, wenn ein Elektron eines Atoms ein Photon (etwa das eines Laserstrahls) absorbiert und in einen höheren angeregten Energiezustand übergeht. Exzitonen haben in der Regel nicht lange Bestand. Elektronen und entstandene Löcher trennen sich normalerweise sofort wieder voneinander, oder sie „verschmelzen“ ineinander, woraufhin ein Lichtquant freigesetzt wird. Wegen ihrer Zerbrechlichkeit war es lange nur bei extrem tiefen Temperaturen möglich, in einem Halbleiter einen nennenswerten Fluss aus Exzitonen aufrechtzuerhalten. Unter diesen Bedingungen bewegen sich Elektron und Loch nur langsam und haben eine Chance, für längere Zeit einen gebundenen Zustand zu bilden.

Dass der Exzitonen-Transistor der Forscher um Andras Kis auch bei Raumtemperatur funktioniert, beruht auf der Verwendung von zwei übereinandergestapelten hauchdünnen Schichten aus Wolframdiselenid (WSe2) und Molybdändisulfid (MoS2). Elektronen und Löcher entstehen – durch das Einstrahlen von Licht – in jeweils einer anderen halbleitenden Schicht. „Die Exzitonen in diesen Materialien weisen eine besonders starke Bindung auf, und, was noch wichtiger ist, sie lösen sich bei Raumtemperatur nicht so schnell wieder auf“, erklärt Kis.

Weil Exzitonen elektrisch ungeladen sind, wandern sie nicht wie Elektronen oder Löcher in Richtung einer positiven oder positiven Elektrode. Um die Quasiteilchen manipulieren zu können, machen sich die Forscher deren elektrisches Dipolmoment zunutze. Diese auch Polarisation genannte Größe entsteht durch die räumliche Trennung der positiven und negativen Ladung. Sie bewirkt, dass sich Exzitonen stets dorthin bewegen, wo die elektrische Feldstärke am größten ist. Denn dort ist auch die Energie der Exzitonen am niedrigsten.

Kis vergleicht das Verhalten mit Kugeln, die in einer Landschaft mit Hügeln und Mulden immer in die Vertiefungen streben. „In unserem ersten Transistor neigten die Exzitonen allerdings dazu, in die ,Löcher‘ zu fallen und nicht mehr herauszukommen“, sagt Kis. Um das zu verhindern und die Lebensdauer der Quasiteilchen zu erhöhen, haben die Forscher zwischen zwei Lagen aus Wolfram- und Molybdändiselenid eine mittlere Schicht aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) eingefügt. Dieser Aufbau reduziert gewissermaßen die Tiefe der Löcher. Auf diese Weise konnten die Schweizer Forscher die Leitfähigkeit für Exzitonen in ihrem System erhöhen.

Elektronik, die optische Signale verarbeitet

Um das Potenzial der Quasiteilchen besser ausschöpfen zu können, versuchen die Forscher deren Eigenschaften auszuloten. So ist es Physikern von der Universität Regensburg gelungen, die Bindungsstärke von Exzitonen in zwei atomar dünnen halbleitenden Schichtstrukturen zu bestimmen und diese gezielt zu verändern. Dazu verdrehten sie die beiden Lagen gegeneinander. Abhängig von der Größe des Winkels konnten die Wissenschaftler die Bewegungsfreiheit der Elektronen in den Schichten einschränken oder vergrößern, wodurch sich die räumliche Ausdehnung der Exzitonen und damit die Stärke der Bindung zwischen den jeweiligen Elektronen und Löchern variieren ließ. Mit dem Abstand zwischen Elektron und Loch verändert sich auch die Stärke des Dipolmoments eines Exzitons.

Ein weiterer Effekt: Über den Winkel zwischen den beiden molekularen Schichten ließen sich zudem die Lebensdauer der Quasiteilchen und deren Wechselwirkungen untereinander beeinflussen. Nach Ansicht von Andras Kis bietet der Drehwinkel die Möglichkeit, binäre Daten in einem Strom aus Quasiteilchen unabhängig voneinander sowohl durch Variationen der Stromstärke als auch anhand der Stärke der Polarisation zu kodieren.

Die Ergebnisse aus Regensburg, die Rupert Huber und seine Kollegen in Nature Communications präsentieren, würden einen neuen Weg zur Feinabstimmung elektronischer und optischer Eigenschaften schichtartig aufgebauter Kristalle eröffnen. Dies könnte eine neue Generation kompakter optoelektronischer Bauteile ermöglichen.

Wenn Exzitonen mit Schallgeschwindigkeit fliegen

Bereits heute sind Bauteile, die Optik und Elektronik kombinieren, in vielen Geräten anzutreffen – etwa in Sensoren, Displays, optischen Speichern und Datenträgern. Mit auf Exzitonen basierenden Komponenten, die einzelne Photonen absorbieren und gezielt wieder abstrahlen, wären zum Beispiel viel sensitivere Photodetektoren denkbar, die weniger Energie verbrauchten sowie kleiner und schneller wären als bisherige Sensoren. Darüber hinaus könnte man optische Übertragungs- und elektronische Datenverarbeitungssysteme in ein und demselben Gerät integrieren. Das würde die Anzahl der zur Verarbeitung optischer und elektrischer Daten erforderlichen Operationen reduzieren und optoelektronische Systeme effizienter machen.

„Wir vermuten außerdem, dass ein Strom aus Exzitonen deutlich weniger Hitze entwickelt, weil anders als bei Elektronen in der Summe keine Ladung transportiert wird“, sagt Andras Kis. Bei herkömmlichen Chips ist der Energieverlust durch die entstehende Wärme hoch. Zudem muss die Hitze abgeführt werden, was bei den winzigen Elektronikbauteilen eines großen Kühlaufwands bedarf.

Neben einer Steigerung der Effizienz und einer weiteren Miniaturisierung von Elektronikbauteilen ließen sich Exzitonen-basierte Systeme auch für die Quantenkommunikation nutzen. Eine Voraussetzung hierfür haben kürzlich Forscher vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik in Berlin geschaffen. Wie Mingyun Yuan und seine Kollegen in der Fachzeitschrift ACS Photonics berichten, ist es ihnen gelungen, Exzitonen auf einem Halbleiterchip mithilfe von Schallwellen voranzutreiben, an bestimmten Stellen einzufangen und zu speichern. Dort emittierten die Quasiteilchen schließlich einzelne Photonen im Takt der Schallwellen aus. Mit einer Emissionsrate von 3,5 Gigahertz haben die Forscher eine der weltweit schnellsten Einzelphotonenquellen geschaffen.

Solche Systeme bilden die Grundlage für photonenbasierte Quantenkommunikation. Die „fliegenden“ Exzitonen könnten etwa dabei als „Boten“ genutzt werden, um Informationen codiert in Quantenbits zu übertragen. „Hier entsteht gerade ein völlig neues Forschungsgebiet, dessen gesamte Tragweite wir noch nicht abschätzen können“, resümiert Andras Kis die Fortschritte auf dem noch jungen Feld der Exzitonen.

Quelle: F.A.Z.
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