Spin und Spin-Band Dynamik 2D van der Waals Materialien

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Jens Hübner
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391378795

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Übergangs-Metall-Dichalchogenide (TMDs) haben sich auf Grund ihrer besonderen optischen Eigenschaften als vielversprechender Kandidat für Anwendungen in der Optoelektronik herauskristallisiert. Die Kombination aus Ladungsträgerspins, Spin-Bahn Pseudospins und Spinselektiven optischen Auswahlregeln bietet eine optimale Plattform für die Verwendung der Elektron- und Locheigenschaften in der (Quanten) Informationsverarbeitung. Für diese ist ein tiefgehendes Verständnis der Spin- und Ladungsträgerdynamiken unabdingbar. Hierfür wurden sowohl im Bereich der Fabrikation als auch im Bereich der Untersuchung von Proben bestehende Techniken optimiert und neue Methoden etabliert. Im Kontext der Exfolierung von TMDs konnten bisher hochwertige MoSe2, MoTe2, WSe2 und MoS2 Monolagen hergestellt werden. Als zusätzliche skalierbare Fabrikationsmethode wurde die nass-chemische Synthese eingeführt, deren Prozessparameter mit Hilfe hochsensitiver raumaufgelöster Photolumineszenz (PL)-Messungen optimiert wurden, um erstmalig wettbewerbsfähige kolloidale TMDs herzustellen. Weitere Optimierungen erlaubten die Herstellung von räumlich beschränkten, nahezu null-dimensionalen, Strukturen. Die Spin- und Ladungsträgerdynamiken dieser hoch entwickelten TMD-Strukturen wurden mit Hilfe verschiedener Spektroskopie-Methoden untersucht, angefangen bei mikro-Photolumineszenz Spektroskopie, bis hin zur Anwendung von temperatur-abhängigen Pump-Abfrage-Messungen. Letztere ermöglichte einen umfassenden Einblick in die ablaufenden Rekombinationsdynamiken in TMDs, sowohl im Bereich des nieder-energetischen A und B Exzitons als auch im Bereich der hochenergetischen C und D Exzitonen. Diesen bisher wenig untersuchten C und D Exzitonen konnte ein hoher Einfluss in lateral eingeschränkten Strukturen nachgewiesen werden. Im Zuge der Zusammenarbeit der beteiligten Arbeitsgruppen konnte zusammenfassend sowohl das Verständnis des vielversprechenden Materialsystem der TMDs grundlegend ergänzt werden als auch neue und optimierte Fabrikations- und Untersuchungsmethoden etabliert werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Room Temperature Micro-Photoluminescence Studies of Colloidal WS2 Nanosheets. The Journal of Physical Chemistry C, 125(34), 18841-18848.
  Frauendorf, André Philipp; Niebur, André; Harms, Lena; Shree, Shivangi; Urbaszek, Bernhard; Oestreich, Michael; Hübner, Jens & Lauth, Jannika
  
• How to Make Nanosheets Glow: An Innovative Route to Photoluminescent Colloidal 2D TMDCs. Proceedings of the nanoGe Spring Meeting 2022. Fundació Scito.
  Niebur, André; Frauendorf, André P.; Oestreich, Michael; Hübner, Jens & Lauth, Jannika
  
• “Advanced Optical Spectroscopy of Colloidal Transition Metal Dichalcogenides” NanoDay of the Laboratory for Nano and Quantum Engineering, Hannover, Germany, 22.09.2022
  André P. Frauendorf; A. Niebur; J. Lauth; M. Oestreich & Jens Hübner
  
• “Optical Spectroscopy of Colloidal Transition Metal Dichalcogenides” DFG Spring Meeting 2022 Regensburg, Germany, 04.09.- 09.09.2022
  André P. Frauendorf; A. Niebur; Jens Hübner; J. Lauth & M. Oestreich
  
• “Optical Spectroscopy of Colloidal Transition Metal Dichalcogenides” Humboldt meets Leibniz - Emerging Topics in Optics and Photonics, Hannover, Germany, 12.-14.06.2022
  André P. Frauendorf; A. Niebur; J. Lauth; M. Oestreich & Jens Hübner
  
• Untangling the intertwined: metallic to semiconducting phase transition of colloidal MoS2 nanoplatelets and nanosheets. Nanoscale, 15(12), 5679-5688.
  Niebur, André; Söll, Aljoscha; Haizmann, Philipp; Strolka, Onno; Rudolph, Dominik; Tran, Kevin; Renz, Franz; Frauendorf, André Philipp; Hübner, Jens; Peisert, Heiko; Scheele, Marcus & Lauth, Jannika
  
• “Low temperature transient absorption spectroscopy: Unraveling the ultra-fast carrier dynamics in TMDs” NanoDay of the Laboratory for Nano and Quantum Engineering, Hannover, Germany, 20.09.2023
  André P. Frauendorf; A. Niebur; D. Rudolph; J. Lauth; M. Oestreich & Jens Hübner
  
• “Temperature-dependent transient absorption spectroscopy: Revealing the ultra-fast carrier dynamics in transition metal dichalcogenides” International Winterschool on New Developments in Solid State Physics, Mauterndorf, Austria, 12.-17.02.2023
  André P. Frauendorf; A. Niebur; J. Lauth; M. Oestreich & Jens Hübner