Vielteilchenbeschreibung optischer Eigenschaften von Halbleiter-Nanostrukturen basierend auf atomistischen Tight-Binding-Modellen

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Czycholl; Professor Dr. Frank Jahnke
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257838310

Es werden drei Arten von optisch aktiven Nanostrukturen (selbstorganisierte Quantenpunkte, Nanokristalle, Monolagen aus Molybdän-Disulfid) untersucht, denen gemeinsam ist, dass nur im Wechselspiel von strukturellen Eigenschaften und Vielteilcheneffekten die optischen Eigenschaften verstanden werden können. Die genannten Nanostrukturen besitzen umfangreiche praktische Anwendungen als effizientere aktive Materialien in optoelektronischen Bauelementen und als neuartige Einzelphotonenquellen (selbstorganisierte Quantenpunkte), als aktive Materialien in verbesserten Solarzellen oder als Marker in der medizinischen Diagnostik (Nanokristalle), sowie als neue Materialien in elektronischen Bauelementen, Lichtemittern und Detektoren (Molybdän-Disulfid). Ziel der Arbeit ist die Verbindung atomistischer Methoden zur Beschreibung der elektronischen Eigenschaften mit der Vielteilchenbeschreibung von optischen Eigenschaften. Diese Teilaspekte wurden in der Vergangenheit - aufgrund ihrer Komplexität - meist separat behandelt. Im Rahmen des Antrags werden die Erfahrungen von zwei Arbeitsgruppen kombiniert. Die Vernetzung der Teilaspekte soll anhand von fünf konkreten Aufgabenstellungen erfolgen, zu denen jeweils aktuelle experimentelle Ergebnisse vorliegen. In der Arbeitsgruppe von Prof. Michler in Stuttgart werden Quantenpunkt-Mikrolaser auf der Basis des InGaAs-Materialsystems hergestellt, das sich sehr gut für energieeffiziente Laserbauelemente oder Einzelphotonenquellen eignet, jedoch in einem Wellenlängenbereich unterhalb von 1.1 µm emittiert. Im ersten Teilprojekt wird eine Verschiebung der Emissionswellenlänge in den für die Telekommunikation interessanten Bereich von 1.3 bis 1.5 µm untersucht. Hierzu werden die Ergebnisse von TEM-Untersuchungen zum strukturellen Aufbau und zur Verspannungsanalyse von Proben aus verschiedenen Wachstumsmodi benutzt, um über atomistische Tight-Binding-Modelle in Kombination mit Vielteilchenmodellen die optischen Eigenschaften zu bestimmen. Ein zweites Teilprojekt wendet sich der Gewinnsättigung realistischer aktiver Materialien zu, die ein limitierender Faktor für praktische Anwendungen sein kann. Untersucht werden ferner die elektronischen und optischen Eigenschaften von nicht-polaren Nitrid-Quantenpunkten, die besonders für Anwendungen im kurzwelligen Spektralbereich geeignet sind, sowie ungeordneten III-V- und II-VI-Nanokristallen. Ein zentraler Schwerpunkt der Projektarbeit wird auf den außergewöhnlichen Eigenschaften von Übergangsmetall-Dichalkogeniden liegen. Für Molybdän-Disulfid, das als halbleitendes Graphen angesehen werden kann, besteht ein großer Klärungsbedarf hinsichtlich der zu erwartenden optischen Eigenschaften. Dichtefunktional- und Tight-Binding-Rechnungen zu den elektronischen Zuständen sollen als Grundlage der Berechnung von exzitonischen Absorptionsspektren dienen. Ziel ist die Bereitstellung von Informationen über das Anwendungspotential dieses neuen Materialsystems.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen