Abstimmung der optischen Emissionen von Nanoschichten
Graphen, eine Folie aus Kohlenstoffatomen mit der Dicke eines Atoms, hat ein erstaunliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht sowie viele weitere ungewöhnliche Eigenschaften. Graphenartige zweidimensionale Nanoschichten standen im Fokus der Forschung. Insbesondere Verbindungen mit Übergangsmetallen wie Titan weisen ein großes Potential für den Einsatz im Bereich erneuerbarer Energietechnologien, Nano-Optoelektronik und Nanokatalyse auf. Die umfassende Nutzung hängt von der detaillierten Charakterisierung der elektronischen und optischen Eigenschaften solcher Materialien ab. EU-finanzierte Wissenschaftler nutzten Theorie, Simulation und Experimente, um im Rahmen des Projekts "Understanding and exploiting dielectric response in novel semiconducting nanosheets" (EXPRESS) einen Einblick auf atomarem Maßstab zu erreichen. Es wurden bemerkenswerte Ergebnisse hinsichtlich der dielektrischen Eigenschaften von Materialien für lichtemittierende Vorrichtungen mit hBN-basierten Systemen (hexagonales Bornitrid) im fernen UV-Bereich erzielt. Die Hauptmotivation der Arbeit war mit der Tatsache verbunden, dass die Emission auf einer einzelnen Frequenz nur bei sehr reinen Proben auftritt und die in einfachen hBN auftretenden verschiedenen Frequenzen auf Defekte zurückzuführen sind. Allerdings hat die große Zahl experimenteller Studien keine Korrelation der spezifischen Emissionsmerkmale mit einwandfrei identifizierten defekten Strukturen erreicht. Fortschrittliche numerische Methoden für die Vielteilchen-Halbleiterphysik haben gezeigt, dass optische Spektren und exzitonische Effekte in einer Masse hBN stark durch Symmetrieverzerrungen beeinflusst werden. Diese Verzerrungen werden durch Kristallstapelfehler und die zugehörigen atomaren Wechselwirkungen zwischen den Ebenen induziert. Die Theorien wurden mit den experimentellen Ergebnissen korreliert und verwendet, um diese korrekt zu erklären. Die EXPRESS-Ergebnisse legen nahe, dass absichtliche Stapelfehler in einem perfekten hBN-Kristall eine Möglichkeit zum Abstimmen der Emissionsspektren im fernen UV-Bereich sein könnten. Umgekehrt kann die Analyse der komplexen Spektren eine Möglichkeit darstellen, strukturelle Defekte abzubilden. Schließlich zeigen die Ergebnisse, dass Modelle der Vielteilchen-Festkörperphysik bei Verwendung mit Schichtmaterialien der neuen Klasse sehr genau sind und großes technologisches Potential bieten. Diese Werkzeuge werden somit von unschätzbarem Wert für Vorhersagemodelle und Hypothesenformulierung zur effizienten Gestaltung künftiger Experimente sein. Das von EXPRESS geschaffene Wissen wird so die Erfindung und Entwicklung von aufregenden neuen Produkten für eine Vielzahl von Anwendungen beschleunigen.
Schlüsselbegriffe
Nanoschichten, Simulationen, mehrkörperstörungstheorie, UV, hexagonales Bornitrid, Emission, Defekte, Spektren, Kristallstapelfehler
