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Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen

Fachliche Zuordnung Theoretische Physik der kondensierten Materie
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung Förderung von 2018 bis 2021
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403180436
 
Erstellungsjahr 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Zwei-dimensionale (2D) Materialien bieten eine Vielfalt an Forschungs- und Anwendungsmöglichkeiten zu einzelnen Kristallschichten unterschiedlicher Zusammensetzung und Heterostrukturen daraus. 2D Exzitonen (2DX) in diesen Materialien erfuhren im letzten Jahrzehnt besonders viel Beachtung. Eingeschlossen in einer Lage ihres Wirtkristalls, besitzen sie andere physikalische Eigenschaften verglichen mit ihren Gegenstücken im Volumentfestkörper. In diesen sogenannten Van-der-Waals Materialien besitzen 2DX relativ hohe Bindungsenergien, was sie für Raumtemperaturanwendungen attraktiv macht. Besonders die Materialklasse der Übergangsmetaldichalkogenide (ÜMD) wurde weltweit intensiv untersucht und deren Anwendungspotential in Bereichen wie der Photovoltaik oder Quantenphotonik früh mitdiskutiert. Während zunächst stark an Monolagen der ÜMDs geforscht wurde, kamen mit der Möglichkeit, diese in diversen Zweilagen- oder Multilagenkonfigurationen herzustellen, später auch vermehrt 2DX in Heterostrukturen (HS) in den Fokus. In diesem Projekt wurden eine Reihe an optischen Untersuchungen an Monolagen, Bilagen wie auch anderen Heterostrukturen durchgeführt, um die Besonderheiten der Exzitonen in jenen 2D Materialien (2DM), insbesondere in HS aus vertikal gestapelten Monolagen, zu entschlüsseln. Während manche 2DX unterschiedliche Dipolorientierung und räumliche Verteilungen in ihrer Wirtstruktur besitzen können, sogar über Grenzflächen hinweg, besitzen solche in gestapelten Systemen darüber hinaus interessante Modifikationen auch aufgrund aufgeprägter Moiré-Potentiallandschaften. Durch die Projektforschung sollte ein besseres Verständnis der Exzitoneneigenschaften in selbstgemachten wie auch von Kooperationspartnern bereitgestellten Proben erlangt werden, darunter Mono- und Bilagen aus einem CVD Wachstumsprozess und mit hexagonalem Bornitrid (hBN) verkapselte ÜMD hoher Qualität. Für Wolframselenid-basierte Strukturen wurde ermittelt, wie die Abstrahlcharakteristika verschiedenartiger Monolagenexzitonen sich unterscheiden, ebenso von jener der sogenannten Moiré-Exzitonen und den grenzflächenübergreifenden 2DX einer HS, in der eine Monolage beispielsweise durch ein geeignetes weiteres 2DM durch vertikales Stapeln ergänzt wurde. Auf Theorieseite befasste sich das Projekt mehr mit den flüchtigen Tellurbasierten Proben, welche attraktiv für Typ-I wie auch Typ-II HS-Bauteile für die Optoelektronik sind, jedoch im Experiment auf kurzen Zeitskalen degradieren. Erkenntniszuwachs wurde im Rahmen der HS-Untersuchung auch hinsichtlich Einkapselungen von 2DM auf der Nanometerskala erlangt. Durch optische Untersuchungen an stabileren 2DM mittels beispielsweise Ramanmessungen und winkel-, polarisations- oder zeitaufgelöster Photolumineszenz wurde eine Grundlage für weitere komplexere Experimente gebildet, die gemeinsam mit weltweiten Partnergruppen, darunter auch im Verbund mit dem Schwerpunktprogramm DFG- SPP2244, verfolgt wurden.

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