Kontrolle über Licht-Materie Wechselwirkung in 2D Übergangsmetall-Dichalkogeniden durch maßgeschneiderte Verspannungen im Kristall

• Antragsteller: Dr. Florian Dirnberger
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 451072703

Nach der Beobachtung von intensiven Lumineszenzsignalen im Grenzfall einzelner Monolagen in einigen Übergangsmetall-Dichalkogeniden (im Englischen abgekürzt mit „TMD“), brachte das vergangene Jahrzehnt eine Vielzahl außergewöhnlicher physikalischer Effekte in dieser neuen Klasse optisch-aktiver Halbleiter hervor. Berichte über stark gebundene Exzitonen bei Raumtemperatur, stabile Einzelphotonen-Emission und zahlreiche ungewöhnliche Effekte, die aus der besonderen Valley-Bandstruktur hervorgehen, verstärken das grundlegende Interesse an diesen neuartigen Materialien. Ein besonders eindrucksvolles Phänomen zeigt sich in diesem Zusammenhang bei tiefen Temperaturen als linear polarisiertes Lumineszenzsignal, das seinen Ursprung in der einzigartigen Valley-Bandstruktur dieser Materialien hat. Als Valley-Kohärenz bezeichnet, sorgte der zugrundeliegende Effekt nicht zuletzt aufgrund seiner möglichen Anwendung im Bereich des Quantum Computing für Aufsehen. Um diese Entwicklungen künftig auch technologisch nutzen zu können, wird ein außerordentliches Maß an externer Kontrolle über die unterschiedlichen Licht-Materie Wechselwirkungen in diesen zweidimensionalen Halbleitern benötigt. Dafür erweisen sich momentan maßgeschneiderte Verspannungen im Kristallgitter der Materialien als besonders effektiv. Im Gegensatz zu den unter Krafteinwirkung unnachgiebigeren klassischen Halbleitern bieten TMDs dabei einen großen Vorteil: Berichten zufolge sind Verspannungen der Gitterzelle von bis zu 10 Prozent möglich, bevor unwiderrufliche Schäden am Material entstehen. Ziel dieses Projekts ist es, sich diese besonderen mechanischen Eigenschaften zunutze zu machen, um durch maßgeschneiderte Verspannungen im Kristall die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie zu kontrollieren. Als experimentelle Plattformen sollen hierbei sowohl nanostrukturierte Substrate, als auch der Einsatz einer dünnen Mikroskopnadel zur Erzeugung von Verspannungen im Kristall untersucht werden. Die Auswirkungen der erzeugten Verspannungen auf die optischen Eigenschaften werden durch Standardmethoden der Spektroskopie erforscht. Um die tatsächliche Deformation des Kristallgitters selbst zu untersuchen, können unterschiedliche bildgebende Mikroskopieverfahren eingesetzt werden. Zusätzlich zu den Ergebnissen der optischen Spektroskopie werden diese Informationen als Basis für ein theoretisches Modell zur Abschätzung der Exzitonenenergie verwendet. Nachdem eine experimentelle Plattform zur Erzeugung von Verspannungen etabliert wurde, soll deren Rolle im Hinblick auf die Entstehung von Quantenemittern und dem Prozess des Exzitonentransports untersucht werden. Des Weiteren soll der Zusammenhang zwischen Verspannungen im Kristall und dem Phänomen der Valley-Kohärenz genauer untersucht werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Vinod M. Minon