Ein Forscherteam der Technischen Universität Wien hat eine neuartige LED entwickelt, die aus dem Zerfall von Exzitonen-Komplexen in extrem dünnen Schichten Licht erzeugt.
Die Forscher erzeugten sogenannte "Multi-Partikel-Exciton-Komplexe", indem sie an extrem dünne Materialschichten aus Wolfram und Selen oder Schwefel elektrische Impulse anlegten. Diese Exzitonencluster sind Bindungszustände, die sich aus Elektronen und „Löchern“ im Material zusammensetzen und in Licht umgewandelt werden können. Das Ergebnis ist eine innovative Form einer Leuchtdiode, bei der die Wellenlänge des gewünschten Lichts mit hoher Präzision gesteuert werden kann. Das Ergebnis wurde in der Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
(Aday Molina Mendoza, Matthias Paur, Thomas Müller; Bild: TU Wien)
Elektronen und Löcher
In einem Halbleitermaterial kann elektrische Ladung auf zwei verschiedene Arten transportiert werden. Einerseits können sich Elektronen direkt von Atom zu Atom durch das Material bewegen, wobei sie eine negative Ladung mit sich bringen. Wenn andererseits irgendwo im Halbleiter ein Elektron fehlt, wird dieser Punkt positiv geladen und als "Loch" bezeichnet. Wenn ein Elektron von einem benachbarten Atom aufsteigt und das Loch füllt, verlässt es seinerseits ein Loch in seiner vorherigen Position. Auf diese Weise können sich Löcher auf ähnliche Weise wie Elektronen durch das Material bewegen, jedoch in die entgegengesetzte Richtung.
„Löcher und Elektronen können sich unter Umständen miteinander verbinden“, sagt Prof. Thomas Müller vom Photonischen Institut (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) der TU Wien. "Ähnlich wie ein Elektron den positiv geladenen Atomkern in einem Wasserstoffatom umkreist, kann ein Elektron das positiv geladene Loch in einem festen Objekt umkreisen."
Auch komplexe Bindungszustände mit Trionen, Biexcitons oder Quintons, an denen drei, vier oder fünf Bindungspartner beteiligt sind, sind möglich. „Das Biexciton ist beispielsweise das Exzitonenäquivalent des Wasserstoffmoleküls H2“, erklärt Thomas Müller.
(Bild: TU Wien)
Zweidimensionale Schichten
In den meisten Festkörpern sind solche Bindungszustände nur bei extrem niedrigen Temperaturen möglich. Anders ist die Situation bei sogenannten „zweidimensionalen Materialien“, die nur aus atomdünnen Schichten bestehen. Das Team der TU Wien, zu dessen Mitgliedern auch Matthias Paur und Aday Molina-Mendoza gehörten, hat eine ausgeklügelte Sandwichstruktur geschaffen, bei der eine dünne Schicht Wolframdiselenid oder Wolframdisulfid zwischen zwei Bornitridschichten eingeschlossen ist. Dieses ultradünne Schichtsystem kann mit Hilfe von Graphenelektroden elektrisch aufgeladen werden.
„Die Exzitonen haben in zweidimensionalen Schichtsystemen eine viel höhere Bindungsenergie als in konventionellen Festkörpern und sind daher wesentlich stabiler. Einfache Bindungszustände aus Elektronen und Löchern können bereits bei Raumtemperatur nachgewiesen werden. Große Exzitonenkomplexe können bei niedrigen Temperaturen nachgewiesen werden “, berichtet Thomas Müller. Je nachdem, wie das System mit kurzen Spannungsimpulsen mit elektrischer Energie versorgt wird, können unterschiedliche Exzitonenkomplexe erzeugt werden. Wenn diese Komplexe zerfallen, setzen sie Energie in Form von Licht frei. So arbeitet das neu entwickelte Schichtsystem als Leuchtdiode.
„Unser Leuchtschichtsystem ist nicht nur eine großartige Gelegenheit, um Exzitonen zu untersuchen, sondern auch eine innovative Lichtquelle“, sagt Matthias Paur, Hauptautor der Studie. "Wir haben daher jetzt eine Leuchtdiode, deren Wellenlänge gezielt beeinflusst werden kann - und das ganz einfach, indem man einfach die Form des angelegten elektrischen Impulses ändert."
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