Halvledare finns överallt i modern teknik och arbetar för att antingen möjliggöra eller förhindra flödet av el. För att förstå potentialen hos tvådimensionella halvledare för framtida dator- och solcellsteknik har forskare från universiteten i Göttingen, Marburg och Cambridge undersökt bindningen som bygger upp mellan elektronerna och hålen i dessa material.
Genom att använda en speciell metod för att bryta upp bindningen mellan elektroner och hål kunde de få mikroskopisk insikt i laddningsöverföringsprocesser över ett halvledargränssnitt. Resultaten publicerades i Science Advances .
När ljus lyser på en halvledare absorberas dess energi. Som ett resultat kombineras negativt laddade elektroner och positivt laddade hål i halvledaren för att bilda par, så kallade excitoner. I de modernaste tvådimensionella halvledarna har dessa excitoner en utomordentligt hög bindningsenergi.
I sin studie ställde sig forskarna utmaningen att undersöka excitonens hål.
Som fysikern och försteförfattaren Jan Philipp Bange från universitetet i Göttingen förklarar:"I vårt laboratorium använder vi fotoemissionsspektroskopi för att undersöka hur absorptionen av ljus i kvantmaterial leder till laddningsöverföringsprocesser. Hittills har vi koncentrerat oss på de elektroner som är en del av elektron-hål-paret, som vi kan mäta med en elektronanalysator. Hittills har vi inte haft något sätt att komma åt själva hålen. Så vi var intresserade av frågan om hur vi inte kunde karakterisera bara excitonens elektron men också dess hål."
För att besvara denna fråga använde forskarna, ledda av Dr Marcel Reutzel och professor Stefan Mathias vid Göttingens universitets fysikaliska fakultet, ett speciellt mikroskop för fotoelektroner i kombination med en högintensiv laser. I processen leder sönderdelningen av en exciton till en energiförlust i elektronen som mäts i experimentet.
Reutzel förklarar, "Denna energiförlust är karakteristisk för olika excitoner, beroende på miljön där elektronen och hålet interagerar med varandra." I den aktuella studien använde forskarna en struktur bestående av två olika atomärt tunna halvledare för att visa att hålet i excitonen överförs från det ena halvledarskiktet till det andra, liknande en solcell. Professor Ermin Malics team vid University of Marburg kunde förklara denna laddningsöverföringsprocess med en modell för att beskriva vad som händer på mikroskopisk nivå.
Mathias säger, "I framtiden vill vi använda den spektroskopiska signaturen av interaktionen mellan elektroner och hål för att studera nya faser i kvantmaterial på ultrakorta tids- och längdskalor. Sådana studier kan ligga till grund för utvecklingen av nya teknologier och vi hoppas kunna bidra till detta i framtiden."
Mer information: Jan Philipp Bange et al, Probing elektron-hål Coulomb korrelationer i exciton landskapet av en vriden halvledar heterostruktur, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi1323
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av universitetet i Göttingen
