Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2016

Spektroskopie schichtartiger dotierter Halbleitermaterialien

Prof. Dr. Tobias Hertel
Universität Würzburg
Institut für Physikalische Chemie

Prof. Dr. Tony F. Heinz
Stanford University
Department of Applied Physics

Halbleitende Schichtmaterialien wie beispielsweise Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) oder schwarzer Phosphor stoßen aufgrund ihrer ungewöhnlichen optischen und elektronischen Eigenschaften derzeit auf reges Interesse. Ziel dieses Projektes ist es, die Wechselwirkung der für optische Eigenschaften solcher Halbleiter wichtigen exzitonischen Anregungen mit Überschussladungsträgern spektroskopisch zu untersuchen. Die Dotierung soll hierbei elektrochemisch- oder chemisch-kontrolliert in Lösungsmittelumgebung erfolgen und anhand der Entwicklung exzitonischer sowie trionischer Absorptions- bzw. Emissionsbanden auf der Ensemble- oder Einzelpartikelbasis spektroskopisch verfolgt werden. Hierdurch sollen für mögliche photonische Anwendungen wichtige Informationen über den Einfluss und zur Kontrolle des Ladungszustandes solcher zweidimensionalen Halbleitermaterialien gewonnen werden.

Abschlussbericht
Ziel dieses Vorhabens war, eine Kooperation mit der Forschungsgruppe von Prof. Heinz (Stanford University) zu diesem Thema ins Leben zu rufen. Die Gruppe von Prof. Heinz gehört weltweit zu den führenden Teams im Bereich der Herstellung und der spektroskopischen Charakterisierung von atomar dünnen Übergangsdichalcogeniden (TMDCs) auf der Ensemble- wie auch Einzelpartikelbasis. Der besondere Nutzen der angestrebten Kooperation ergibt sich aus der komplementären Expertise und den Synergien durch Kombination von Wissen für das Studium verwandter nanoskaliger Halbleiter. Hervorzuheben sind hier die ausgewiesene Erfahrung der Würzburger Gruppe im Bereich elektrochemischer und chemischer Dotierung niederdimensionaler Halbleitersysteme, während die Stanford Gruppe vor allem für ihre Erfahrung im Bereich der Herstellung und Charakterisierung der Photophysik von Exzitonen in TMDCs und anderer Systeme bekannt ist.

Die Förderung im Rahmen dieser Bewilligung wurde unter anderem für die Erstattung von Reise- und Unterbringungskosten des Doktoranden Klaus Eckstein während eines zweiwöchigen Forschungsaufenthaltes an der Stanford University in der Gruppe von Prof. Heinz vom 5. August bis 12. September 2016 genutzt.

Während seines Aufenthaltes in Stanford wurde Herr Eckstein durch den Postdoktoranden Dr. Dezheng Sun betreut. Herr Eckstein lernte dabei die Herstellung von Monolagen eines kristallin vorliegenden TMDCs durch die Tesafilm-Methode sowie deren Übertrag auf Siliziumwafer kennen. Er erhielt auch Einblicke in die Herstellung von Feldeffekttransistoren (FETs) aus solchen Materialien mittels Elektronenstrahllitographie. Des Weiteren arbeiteten die beiden Wissenschaftler gemeinsam an einem Experiment zur Bestimmung von Reflektivitätsänderungen einer TMDC-Schicht in einem FET mit Hilfe eines Mikroskopaufbaus mit angeschlossenem Spektrographen. Der Aufbau erlaubte es den beiden Wissenschaftlern, insbesondere die durch elektrostatisches Gating mittels einer ionischen Flüssigkeit hervorgerufenen Änderungen von Exziton Oszillatorstärken zu beobachten.

Die jungen Forscher diskutierten ihre Beobachtungen vor allem auch im Hinblick auf Femtosekunden zeitaufgelöste Pump-Probe-Messungen an dotierten Kohlenstoffnanoröhren (SWNTs), welche Herr Eckstein kurz zuvor an der JMU Würzburg durchgeführt hatte. Gemeinsamkeiten und Unterschiede der experimentellen Beobachtungen zwischen halbleitenden SWNTs und TMDCs erlauben es so, auch die Besonderheiten der einzelnen Materialsysteme besser zu verstehen.

Darüber hinaus besuchte Herr Eckstein zwei wöchentliche Gruppenseminare der Heinz-Gruppe und präsentierte seine eigenen Forschungsergebnisse zur Spektroskopie dotierter SWNTs.

Zusätzlich wurden die Fördermittel zur Unterstützung von Reise- und Unterbringungskosten von Dr. Archana Raja während ihres Besuches an der JMU Würzburg vom 1. bis 2. März 2017 genutzt. Dr. Raja hatte ihre Promotion erst kurz vor diesem Besuch in der Gruppe von Prof. Heinz abgeschlossen. Während ihres Besuchs an der JMU Würzburg hielt Dr. Raja einen Seminarvortrag über ihre eigenen Arbeiten zu “Electrons and excitons at nanoscale interfaces”. Dieses Seminar wurde einem breiteren Publikum angekündigt und von Wissenschaftlern aus der Fakultät für Chemie und Pharmazie sowie aus der Physik besucht. Die am zweiten Besuchstag folgenden Labortouren und Diskussionen waren hilfreich und von großem Nutzen, sowohl für die Studenten des AK Hertel als auch für Dr. Raja.

Die innerhalb der kurzen Besuchszeiten erhaltenen, aber sehr überschaubaren experimentellen Ergebnisse rechtfertigten bislang noch nicht den Entwurf einer gemeinsamen Publikation mit dem AK Heinz. Auch wurde bislang noch kein Austausch von Proben über die Kontinente hinweg durchgeführt. Jedoch haben uns die bisherigen Ergebnisse und Diskussionen in unserer Entschlossenheit zur Durchführung weiterreichender Kooperationsvorhaben bestärkt. Prof. Heinz hat Prof. Hertel daher von August 2018 bis Januar 2019 zum Sabbatical und Forschungsaufenthalt nach Stanford eingeladen. Während dieser Zeit werden beide Gruppen, die mit Hilfe der BaCaTeC-Förderung begonnene Zusammenarbeit vertiefen. Insbesondere sollen während dieses Gastaufenthaltes die Mobilität und Diffusion von Exzitonen in atomar dünnen Halbleitermaterialien weiter erforscht werden. Ein tiefergehendes Verständnis dieser Phänomene ist dabei nicht nur von grundlegendem Interesse, sondern es ist auch entscheidend für eine qualifizierte Einschätzung des Anwendungspotenzials dieser Materialsysteme in photonischen-, optoelektronischen-, sensorischen- oder photovoltaischen Technologien.