2-Dimensionale Optoelektronik in Übergangsmetall-Dichalkogenid-Heterostrukturen: Kontrolle von Donor- und Akzeptoreffekten auf die Exzitonendynamik in neuartigen Photodetektoren

• Antragsteller: Dr. Hans Kleemann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283779880

2-Dimensionale Materialien wie Graphen und Übergangsmetall-Dichalkogenide gehören wohl zu den wichtigsten Entdeckungen der Festkörper- und Halbleiterphysik in den letzten Jahrzehnten. Diese atomar dünnen, 2D Strukturen zeigen eine Vielzahl von neuen und faszinierenden physikalischen Effekten (z. B. Dirac-Elektronen, Quanten-Hall-Effekt bei Raumtemperatur), welche für Anwendungen in der Halbleitertechnologie und Sensorik genutzt werden können. Insbesondere die Klasse der Übergangsmetall-Dichalkogenide ist für opto-elektronische Anwendungen interessant, da diese Materialien eine optische Bandlücke im nahen Infrarot-Bereich besitzen und eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung aufweisen. Zusätzlich können mit diesen Materialien auch atomar dünne pn-Übergänge hergestellt werden, die zu einer hocheffizienten und ultra-schnellen Exzitonendissoziation führen. Die Herausforderung besteht nun darin, Technologien und Prozesse zu entwickeln, die die Besonderheiten dieses Materialsystems für Anwendungen ausnutzen.Im Rahmen dieses Projektes sollen aus Übergangsmetall-Dichalkogenid pn-Übergängen hocheffiziente und ultra-schnelle Photodektoren entwickelt werden. Dabei soll untersucht werden, wie molekulare Dotierung genutzt werden kann, um die optischen und elektrischen Eigenschaften der Detektoren zu kontrollieren und zu optimieren. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Fragestellung, wie die Dotierung und die damit verbundene Kontrolle des quasi-chemischen Potentials sich auf die Effizienz und Kinetik der Exzitonengeneration und -dissoziation auswirkt. Die Entwicklung eines tieferen Verständnisses über den Einfluss von Adsorbaten wie Donator- und Akzeptormolekülen auf opto-elektronische Prozesse in atomar dünnen Schichten aus Übergangsmetall-Dichalkogeniden ist nicht nur von fundamentalem physikalischen Interesse, sondern auch entscheidend für die Optimierung der gesamten Photodetektorstruktur. Neben der Fragestellung der opto-elektronischen Effekte soll die Dotierung auch dazu genutzt werden, den Photodetektor, welcher in einer Dünnschichttransistorstruktur realisiert werden soll, bzgl. seiner elektrischen Parameter zu optimieren. Dabei ist die Dotierung von besonderem Interesse um einerseits störende Kontaktwiderstände zu vermeiden und andererseits gezielt die Ladungsträgerdichte und das elektrische Feld im Bauelement zu manipulieren, welche entscheidende Parameter für die Sensitivität des Detektors sind.Kontrollierte Prozesse zur Dotierung und Bauelementintegration werden das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Effekte vertiefen und die Entwicklung von ultra-schnellen Photodetektoren vorantreiben. Zusätzlich wird das gesamte Feld der Übergangsmetall-Dichalkogenid basierten Bauelemente von diesen Entwicklungen profitieren. In diesem Zusammenhang kann die Arbeit im Rahmen dieses Projektes auch als Grundlage für die Entwicklung völlig anderer Anwendungsfälle für diese interessante Klasse der 2D Materialien dienen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Feng Wang, Ph.D.