Untersuchung von Übergangsmetalldichalkogeniden mittels akustischer Oberflächenwellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Vorhaben war die Untersuchung akustisch-getriebener Ladungsträgerdynamik in zwei-dimensionalen Übergangsmetalldichalkogeniden (engl. transition metal dichacogenides, TMDs). Diese nur drei Atomlagen dicken Kristalle sind optisch aktive Halbleiter, die als aktive Materialien in optoelektronischen Bauelementen der Zukunft zum Einsatz kommen werden. Im Fokus des Projekts standen monolagige TMD-Verbindungen, die als Mischkristalle mit variabler chemischer Zusammensetzung mittels chemischer Gasphasen Abscheidung (engl. chemical vapor deposition, CVD), einem skalierbaren Syntheseverfahren, großflächig hergestellt werden sollten. Als Substratmaterial wurde LiNbO3 gewählt, das in gemeinsamen Vorarbeiten für die Realisierung von hybriden akustoelektrischen Feldeffektbauelementen verwendet wurde. Mit diesen Bauelementen sollte dann mittels piezoelektrischer akustischer Oberflächenwellen (engl. surface-acoustic-waves, SAWs) Untersuchungen der elektrischen Leitfähigkeit als Funktion von Ort, Frequenz und optischer Anregungswellenlänge durchgeführt werden. Diese Methode ist vollständig kontaktfrei und ermöglicht direkte Untersuchung der elektrischen Transporteigenschaften. Daher stellt sie eine attraktive Alternative zu konventionellen rein elektrischen Ansätzen dar, da potentiell störende Einflüsse durch metallische Kontakte (z. B. durch Schottky-Barrieren) nahezu vollständig vermieden werden. Bei der Durchführung wurde der Fokus auf mittels mechanischer Exfoliation hergestellter monolagiger TMD-Kristalle gesetzt, da bei der Entwicklung der geplanten großflächigen Herstellung von TMD-Mischkristallen durch unsere Projektpartner unerwartete Verzögerungen auftraten. Parallel mit der Etablierung dieses alternativen Herstellungsverfahrens konnten wir unsere SAW-Spektroskopiemethoden entscheidend weiterentwickeln. An einem anderen hochmodernen Materialsystem, Halogen-Perowskit Halbleiternanodrähten gelang es, spektral aufgelöst die elektrische Photoleitung in kleinen Nanodrahtbündeln präzise zu vermessen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Absorptionskante der Nanodrähte durch deren chemische Zusammensetzung bestimmt ist. Des Weiteren konnten mit gefächerten Schallwandlerelektroden die Photoleitung auf dem Chip abgerastert werden. Diese Ergebnisse stellen eine erste Demonstration einer SAW-Farbkamera dar. Diese Methoden konnten dann im nächsten Schritt an TMD-Monolagen zum Einsatz gebracht werden. Hier konnten wir nachweisen, dass die hohe kristalline Qualität, der durch Exfoliation hergestellten Monolagen deutlich höher ist als die von mittels CVD hergestellten Schichten. Dies führt zu einer deutlichen Verringerung des von der SAW detektierten Signals. Um dieses Signal zu verstärken, wurden sogenannte SAW-Resonatoren entwickelt, in denen sich eine stehende SAW ausbildet. In diesen Experimenten konnten die Absorptionskanten der zu untersuchenden Materialien präzise vermessen werden. Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse, dass die Steigerung der Empfindlichkeit durch einen SAW-Resonator Anwendungen als optischen Sensor in greifbare Nähe rücken. Als besonders vielversprechend erwiesen sich zum Ende des Projekts durchgeführte Experimente, in denen die optische Emission der TMD-Monolagen unter Einfluss einer SAW untersucht wurden. Hier konnte eine Erhöhung der optischen Intensität um mehr als 30% beobachtet werden. Desweitern ist das Signal präzise mit der Frequenz der SAW von ca. 340 MHz getaktet. Dieses Phänomen ist ein klarer Nachweis, dass Elektronen und Löcher durch die SAW periodisch innerhalb der Monolage bewegt werden. Dieses „Blinken“ variiert von Ort zu Ort auf der Monolage, was wiederum zeigt, dass diese Bewegung stark von den lokalen physikalischen Eigenschaften beeinflusst wird. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse geben erste Einblicke auf den Einfluss der lokalen Struktur von monolagigen Halbleitern auf deren optoelektronische Eigenschaften. Die Kombination mit hochfrequenten akustischen Oberflächenwellen eröffnet Anwendungen der untersuchten fundamentalen Effekte in neuartigen SAW-kontrollierten optoelektronischen Bauelementen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Surface acoustic wave driven carrier dynamics in halide perovskites: from fundamental physics to practical devices
Lisa Janker
