Måling af excitonhuller:Indsigt i ladningsoverførsel ved atomisk tynde grænseflader mellem halvledere

Halvledere er allestedsnærværende i moderne teknologi og arbejder for enten at aktivere eller forhindre strømmen af ​​elektricitet. For at forstå potentialet af todimensionelle halvledere for fremtidige computer- og fotovoltaiske teknologier har forskere fra universiteterne i Göttingen, Marburg og Cambridge undersøgt bindingen, der bygger mellem elektronerne og hullerne i disse materialer.

Ved at bruge en speciel metode til at bryde bindingen mellem elektroner og huller, var de i stand til at få mikroskopisk indsigt i ladningsoverførselsprocesser på tværs af en halvledergrænseflade. Resultaterne blev offentliggjort i Science Advances .

Når lys skinner på en halvleder, absorberes dens energi. Som et resultat kombineres negativt ladede elektroner og positivt ladede huller i halvlederen for at danne par, kendt som excitoner. I de mest moderne todimensionelle halvledere har disse excitoner en ekstraordinær høj bindingsenergi.

I deres undersøgelse stillede forskerne sig selv udfordringen med at undersøge excitonens hul.

Som fysiker og førsteforfatter Jan Philipp Bange fra universitetet i Göttingen forklarer:"I vores laboratorium bruger vi fotoemissionsspektroskopi til at undersøge, hvordan absorption af lys i kvantematerialer fører til ladningsoverførselsprocesser. Hidtil har vi koncentreret os om de elektroner, der er en del af elektron-hul-parret, som vi kan måle ved hjælp af en elektronanalysator. Indtil nu har vi ikke haft direkte adgang til selve hullerne kun excitonens elektron, men også dens hul."

For at besvare dette spørgsmål brugte forskerne, ledet af Dr. Marcel Reutzel og professor Stefan Mathias ved Göttingen Universitets Fysiske Fakultet, et specielt mikroskop til fotoelektroner i kombination med en højintensitetslaser. I processen fører nedbrydningen af ​​en exciton til et tab af energi i elektronen målt i eksperimentet.

Reutzel forklarer:"Dette energitab er karakteristisk for forskellige excitoner, afhængigt af det miljø, hvor elektronen og hullet interagerer med hinanden." I den aktuelle undersøgelse brugte forskerne en struktur bestående af to forskellige atomisk tynde halvledere til at vise, at hullet i excitonen overføres fra det ene halvlederlag til det andet, svarende til en solcelle. Professor Ermin Malics team ved University of Marburg var i stand til at forklare denne ladningsoverførselsproces med en model til at beskrive, hvad der sker på et mikroskopisk niveau.

Mathias siger:"I fremtiden ønsker vi at bruge den spektroskopiske signatur af interaktionen mellem elektroner og huller til at studere nye faser i kvantematerialer på ultrakort tids- og længdeskala. Sådanne undersøgelser kan være grundlaget for udviklingen af ​​nye teknologier, og vi håber at bidrage til dette i fremtiden."

Flere oplysninger: Jan Philipp Bange et al., Undersøgelse af elektron-hul Coulomb-korrelationer i excitonlandskabet af en snoet halvleder-heterostruktur, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi1323

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af University of Göttingen