Erster Nachweis dunkler Exzitonen – Forscher entdecken erstmals versteckte Arten von Partikeln in Halbleitern

Licht im Dunkeln: Zum ersten Mal haben Forscher einen Partikeltyp in Halbleitern entdeckt, der bisher nur theoretisch vorhergesagt wurde – “dunkle Exzitonen”. Es besteht aus einem durch Licht erzeugten Elektron und einem “Elektronenloch” mit einem anderen Impuls. Die experimentellen Beweise dieser Bürstenpartikel zeigen nun ihre Eigenschaften und auch, dass sie noch mehr als ihre “hellen” Gegenstücke sind, wie die Forscher in der Fachzeitschrift “Science” berichteten.

Bereits in den 1960er Jahren sagten Physiker die Existenz von Exzitonen voraus – Bürstenteilchen, die sich bei Anregung durch Licht in einem Halbleiter bilden. Elektronen wechseln in einen höheren Energiezustand und springen in den Leiterstreifen des Materials. Ein positiv geladenes Elektronenloch bleibt in seiner ursprünglichen Position. Es verbindet sich mit dem “gefiederten” Elektron und bildet zusammen ein Bürstenteilchen, das sich durch den Kristall bewegen kann.

Versuchsaufbau
Versuchsaufbau: Ein Laserpuls regt das Halbleitermaterial an. Ultraschnelle UV-Laserpulse treffen dann auf die Elektronen der Exzitonen aus dem Material. Das elektronenemittierende Elektronenmikroskop misst dann ihre Energie und ihren Impuls. © OIST

Unsichtbare Bürstenpartikel

Die Forscher entdeckten diese transienten Exzitonen erstmals vor einigen Jahren Beweis. Dies liegt daran, dass diese “hellen” Exzitonen mit Licht interagieren und daher mit speziellen spektroskopischen Methoden nachgewiesen werden können. Dies ist bei den “dunklen Exzitonen” nicht der Fall: In ihnen unterscheiden sich der Impuls des Elektrons und der des Elektronenlochs voneinander, wodurch sie für allgemeine Nachweismethoden unsichtbar werden.

“Wir wissen, dass sie existieren, aber wir können sie nicht sehen und wir können sie nicht direkt untersuchen”, erklärt der Erstautor Julien Madeo vom Okinawa Institute of Science and Technology. “Daher wissen wir nicht, wie stark dies die optoelektronischen Eigenschaften solcher Halbleitermaterialien beeinflusst.” Jetzt haben er und sein Team eine Methode entwickelt, mit der diese unsichtbaren Pinselpartikel auch erkannt werden können.

Elektronen zeigen das Vorhandensein dunkler Exzitonen

Für ihr Experiment verwendeten die Physiker eine Atomschicht aus dem Halbleitermaterial Wolframdiesel (WSe).2) und wird mit ultraschnellen Laserpulsen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich erzeugt. Dann schossen die Forscher mit Laserpulsen im extremen UV-Bereich auf das Material. Diese energiereichen Impulse trennen die Bürstenteilchen und werfen ihre Elektronen aus dem Material.

Der Impuls und der Energiegehalt dieser emittierten Elektronen können dann abgelesen werden, ob sie von Exzitonen stammen und welche. “Es war nicht klar, wie gut diese Technik für Exzitonen funktionieren würde”, sagt Madeos Kollege Michael Man. Da diese Bürstenteilchen eine extrem kurze Lebensdauer haben, musste die zeitliche und räumliche Auflösung der für die Messung verwendeten Elektronenmikroskopie sehr hoch sein.

Erfolgreicher Beweis

Aber das Experiment ist erfolgreich: “Als wir alle technischen Probleme gelöst und das Instrument eingeschaltet haben, erschienen die Exzitonen auf unserem Bildschirm – es war wirklich erstaunlich”, sagt Man. Mit dem gemessenen Impuls konnten er und seine Kollegen die Signaturen der hellen K-Exzitonen klar von denen der dunklen Q-Pinselpartikel mit „verbotenem Impuls“ unterscheiden. Zum ersten Mal waren die dunklen Exzitonen direkt nachweisbar.

helle und dunkle Exzitonen
Nachweis der dunklen Exzitonen (rot) und ihrer hellen Gegenstücke (blau). © Madeo et al. / Wissenschaft 2020, OIST

Ebenfalls interessant: Die Messungen zeigten, dass die dunklen Exzitonen im angeregten Halbleiter eine längere Lebensdauer haben als die hellen – und dass sich helle Exzitonen in ihren dunklen Gegenstücken ändern können. Nach kurzer Zeit beginnt die dunkle Variante dieser Bürstenteilchen auch im Halbleiter zu dominieren.

“Wie erwartet haben sich die K-Exzitonen sehr schnell gebildet”, berichten Madeo und sein Team. “Später sahen wir eine deutliche Anreicherung der dunklen Q-Exzitonen.” Die Menge verdoppelt dann die der Licht-Exzitonen. Gleichzeitig zeigten die Messungen jedoch auch, dass sich die dunklen Pinselpartikel unter bestimmten Umständen wieder in ihre hellen Gegenstücke verwandeln konnten.

Wichtig für die Halbleiterforschung und die optische Elektronik

“Die Dominanz der dunklen Exzitonen und die Wechselwirkung zwischen ihnen und den hellen Exzitonen legen nahe, dass diese unsichtbaren Bürstenteilchen die Eigenschaften zweidimensionaler Halbleiter noch stärker als erwartet beeinflussen”, sagt Madeo. Dieses Wissen kann weitreichende Auswirkungen auf die Verwendung und Entwicklung solcher Halbleitermaterialien haben – beispielsweise in der Quantenkommunikation oder in anderen Bereichen der optischen Elektronik.

“Diese Technologie ist ein echter Durchbruch”, sagte Madeos Kollege Keshav Dani. „Es erlaubt uns nicht nur, zum ersten Mal dunkle Exzitonen und ihre Eigenschaften zu beobachten. Es eröffnet auch eine neue Ära in der Untersuchung von Exzitonen und anderen angeregten Teilchen. ”(Wissenschaft, 2020; doi: 10.1126 / science.aba1029)

Quelle: Okinawa Institut für Wissenschaft und Technologie (OIST), AAAS

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