Exzitonen-LEDs: Licht aus neuartigen Teilchenzuständen

15. April 2019, 11:13 Uhr
Sandwich-Aufbau der Exzitonen-LED. Bild: TU Wien.
Sandwich-Aufbau der Exzitonen-LED. Bild: TU Wien.
Forschern der TU Wien gelang die Konstruktion einer neuartigen LED, die Licht mit Hilfe von Exzitonen erzeugt. Exzitonen sind Quasiteilchen, die aus einem Elektron und einem Loch bestehen, wie das von Halbleitern bekannt ist.

In extrem dünnen Schichten aus Wolfram und Selen oder Schwefel wurden durch elektrische Impulse sogenannte Exzitonen-Cluster generiert. Dabei handelt es sich um exotische Kombinationen aus Elektronen und Löchern. Diese Exzitonen-Cluster erzeugen bei der Rekombination u.U. direkt Licht. Bei der mit diesem Prinzip operierende LED lässt sich die Wellenlänge des Lichts sehr präzise steuern.

Exzitonen und mehr

Bei Halbleitern kann elektrischer Strom auf zwei unterschiedliche Arten transportiert werden: Wie bei Metallen können Elektronen von Atom zu Atom durch das Material wandern. Ein Loch hingegen ist die Stelle, an der ein Elektron fehlt, weshalb das Loch positiv geladen ist. Wenn nun ein Elektron aus einem Nachbaratom nachrückt und das Loch füllt, so hinterlässt es an seinem ehemaligen Platz ein Loch. Löcher können also ähnlich wie Elektronen durch das Material wandern, nur tun sie das in gegensätzlicher Richtung.

Unter bestimmten Umständen können sich aber stabilere Kombinationen von Löchern und Elektronen bilden, die aneinander gebunden sind. Dabei kann ähnlich wie bei atomarem Wasserstoff (ein Elektron kreist um den positiven Atomkern) im Halbleitermaterial ein Elektron um das positiv geladene Loch kreisen. Es gibt sogar noch kompliziertere Anordnungen: Bei sogenannten Trionen, Biexzitonen oder Quintonen sind drei bis fünf Bindungspartner beteiligt. Ein Biexziton entspräche dann dem Exziton-Äquivalent zum Wasserstoff-Molekül H2.

Schichtenaufbau

In den meisten Materialien sind solche Zustände lediglich bei sehr tiefen Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt möglich. In sogenannten "zweidimensionalen Materialien" aus nur Atomlagen dünnen Schichten sieht das anders aus. Das Forscher-Team der TU Wien erzeugte eine Sandwich-Struktur aus einer dünnen Schicht Wolframdiselenid oder Wolframdisulfid zwischen zwei Bornitrid-Schichten. Mit Hilfe von Elektroden aus Graphen konnten sie an dieses Schichtsystem eine elektrische Spannung anlegen.

Da die Bindungsenergie der Exzitonen in einem solchen Schichtaufbau viel höher als in herkömmlichen Festkörpern ist, sind die Exzitonen stabiler. Sie ließen sich sogar noch bei Zimmertemperatur nachweisen. Bei tiefen Temperaturen konnten größere und komplexere Exzitonen-Cluster nachgewiesen werden. Je nach den Eigenschaften der Spannungsimpulse ließen sich unterschiedliche Exzitonen-Cluster erzeugen. Beim Zerfall dieser Cluster wird Energie in Form von Licht frei. Auf diese Weise fungiert der Schichtenaufbau als LED, deren Lichtfarbe von der elektrischen Ansteuerung geändert werden kann.

Der Forschungsbericht wurde unter dem Titel Electroluminescence from multi-particle exciton complexes in transition metal dichalcogenide semiconductors in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
 
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