Ein internationales Forschungsteam hat am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg erstmals winzige Verformungen in Halbleiterkristallen sichtbar gemacht, die durch sogenannte Elektron-Loch-Paare entstehen. Diese Paare aus angeregten Elektronen und den von ihnen im Atomgitter zurückgelassenen „Löchern“ spielen eine zentrale Rolle in der Optoelektronik und bei Perowskit-Solarzellen.
Beim Auftreffen von Licht auf solche Materialien werden Elektronen angeregt, bewegen sich frei und erzeugen Strom, während die positiv geladenen Löcher ebenfalls mobil sind. Beide verformen auf ihrem Weg durch das Material das umgebende Atomgitter minimal. Dieser schwache Effekt wurde an einem Quantenpunkt aus Cäsium, Blei und Brom (CsPbBr3) untersucht, einem winzigen Kristall, dessen Eigenschaften nur mit Quantenphysik erklärbar sind. Die elektrisch geladenen Elektron-Loch-Paare erzeugen eine Art „Delle“ im Kristall, einen sogenannten Exziton-Polaron. Die Gitterverformung, die nur wenige Atome betrifft, beeinflusst die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials entscheidend. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses könnte die Entwicklung effizienterer Solarzellen, Displays oder Sensoren ermöglichen.
Die Beobachtung gelang mithilfe des weltgrößten Röntgenlasers am European XFEL, der extrem kurze, intensive Röntgenblitze in Femtosekunden erzeugt. „Das ist, als würde man mit einer Hochgeschwindigkeitskamera die Bewegung der Atome beobachten“, erläutert Johan Bielecki, Wissenschaftler an der Experimentierstation SPB/SFX. Die direkte Sichtbarmachung dieser Effekte ist ein Durchbruch, der Licht-Materie-Wechselwirkungen auf kleinster Ebene erhellt. „Dies ist ein erster Schritt, um solche Effekte gezielt zu steuern“, sagt Zhou Shen vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Erstautor der Studie. Die Erkenntnisse könnten die Entwicklung energiesparender optoelektronischer Bauteile, hochempfindlicher Lichtdetektoren oder Komponenten für Quantencomputer vorantreiben.
Originalpublikation
Direct Observation of the Exciton-Polaron in Single CsPbBr3 Quantum Dots | ACS Nano
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