Erstmals dunkle Moiré-Interlagen-Exzitonen sichtbar gemacht

Ein internationales Forschungsteam hat erstmals ein grund­legendes physi­ka­lisches Phänomen sichtbar gemacht, das bei der Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie eine Rolle spielt. Den Wissen­schaftlern ist es gelungen, dunkle Moiré-Interlagen-Exzitonen sichtbar zu machen und deren Entstehung mit den Methoden der Quanten­mechanik zu erklären. Die Forscher zeigen, wie eine an der Uni Göttingen neu entwickelte experi­mentelle Technik, die zeit­auf­ge­löste Impuls­mikro­skopie, tiefste mikro­skopische Einblicke in dieses technologisch relevante Phänomen liefert.

Atomar dünne Strukturen aus zwei­dimen­sionalen Halb­leiter­materialien sind viel­ver­sprechende Kandidaten für zukünftige Bauteile in der Elektronik, Opto­elektronik und Photovoltaik. Die Eigen­schaften dieser Halbleiter können auf faszinierende Weise kontrolliert werden: Wie Legosteine können die atomar dünnen Schichten aufein­ander­gestapelt werden. Es gibt allerdings einen weiteren wichtigen Trick: Während Legosteine nur gerade oder um neunzig Grad gegen­ein­ander verdreht gestapelt werden können, kann der Drehwinkel im Aufbau der Halb­leiter­strukturen beliebig eingestellt werden. Und genau dieser Drehwinkel ist für die Herstellung neuartiger Solarzellen interessant.

Während der Drehwinkel also ein bahn­brechender Kontroll­parameter für neue Technologien sein kann, führt er auch zu experi­men­tellen Heraus­forderungen: Typische experi­mentelle Ansätze haben nur indirekte Zugänge zu den Moiré-Interlagen-Exzitonen, sind also blind gegenüber den dunklen Exzitonen. „Mit Hilfe der zeit­auf­ge­lösten Impuls­mikro­skopie machen wir diese eigentlich dunklen Exzitonen sichtbar“, erklärt Marcel Reutzel von der Uni Göttingen. „So können wir messen, wie die Exzitonen auf der Zeitskala von dem Millionstel eines Millionstels einer Millisekunde ausgebildet werden. Wir können die Dynamik der Entstehung dieser Exzitonen in einer quanten­mechanischen Theorie beschreiben, die die Forschergruppe von Ermin Malic aus Marburg entwickelt hat.“

„Diese Ergebnisse ermöglichen uns nicht nur einen fundamentalen Einblick in die Entstehung dunkler Moiré-Interlagen-Exzitonen, sondern eröffnen zudem eine völlig neue Perspektive, die opto­elektro­nischen Eigen­schaften dieser neuen und faszinierenden Materialien zu studieren“, so Studien­leiter Stefan Mathias von der Uni Göttingen. „In unserem Experiment messen wir eine bahn­brechende Signatur des Moiré-Potenzials, das heißt, den Einfluss der kombinierten Eigen­schaften der beiden verdrehten Halb­leiter­schichten. In Zukunft werden wir genau diesen Effekt weiter studieren, um mehr über die resultieren Material­eigen­schaften zu lernen.“

GAU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Schmitt et al.: Formation of moiré interlayer excitons in space and time, Nature 608, 499 (2022); DOI: 10.1038/s41586-022-04977-7
• AG Mathias, I. Physikalischen Institut, Georg-August-Universität Göttingen