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2D-Heterostrukturenprojekte

AG Quantennanophotonik: 2D-Materialien und ihre Heterostrukturen

Theoretische und experimentelle Untersuchungen optischer Eigenschaften von 2D-Heterostrukturen (DFG)

Theoretical and experimental study of optical properties of 2D material heterostructures (Research Projects)

Durch den immensen Einsatz lichtbasierter Technologien in unserer modernen Welt ist die Nachfrage nach leistungsfähigen und miniaturisierbaren neuen optischen Materialien stark gestiegen. Gleichzeitig erfährt die Optimierung optischer Bauteile in Bezug auf Energie- und Kosteneffizienz große Beachtung. Niedrigdimensionale Materialien besitzen einzigartige Vorteile gegenüber ihren makroskopischen Gegenstücken und versprechen die Entwicklung von innovativen Technologien der nächsten Generation.

2D-Materialien

Eine entscheidende Chance mit Blick auf die (Nano-)Photonik bieten sogenannte 2D-Materialien. Diese liefern hauchdünne Schichtkristalle, die als einzelne Lage, als „Monolage“, oftmals weniger als 1 nm hoch sind. Beeindruckend simpel können diese von millimeter-großen Kristallen mechanisch abgetrennt sowie auf diversen Oberflächen isoliert und unter dem Mikroskop betrachtet werden. Darüber hinaus ist das monolagengenaue Wachstum diverser 2D-Materialsysteme von Expertengruppen weltweit etabliert worden.

Prominentes Beispiel ist Graphen, eine Monolage Graphit, dem rein kohlenstoffbasierten Material, dass von der herkömmlichen Bleistiftspitze alltäglich bekannt ist. Besondere Eigenschaften weisen geschichtete Materialien wie Graphit umso mehr auf, wenn sie als einzelne Lage isoliert vorliegen (beziehungsweise mit gleichartigen Schichten oder anderen 2D-Kristallen kombiniert werden, wie sich im letzten Jahrzehnt beeindruckend gezeigt hat). Um photonische oder optoelektronische Funktionalitäten solcher Nanomaterialien gezielt zu nutzen, werden rapide und stark expandierend seit Jahren auch Halbleiter dieser Materialfamilie untersucht, da diese geeignete Energiebandlücken für optische Ladungsträgerübergänge bereitstellen.

Gestapelte van-der-Waals Mischstrukturen

Insbesondere die Möglichkeit, 2D Materialien vertikal zu stapeln, bietet enormen Spielraum in Hinblick auf Heterostrukturierung und Energiebandlücken-Konfigurierung der Nanoschichten. Die etablierte Projektforschung widmet sich unter anderem der theoretischen und experimentellen Untersuchung optischer und optoelektronischer Eigenschaften von Monolagen, Bilagen und gestapelter Heterostrukturen der populärsten 2D Halbleiter (WS2, WSe2, MoS2, MoSe2) sowie noch etwas weniger im Rampenlicht stehender Telluride (MoTe2, oder auch GaTe) – gemeinsam mit Partnern weltweit.

Hierbei soll ein besseres Verständnis über diese Materialklasse der Übergangsmetalldichalkogenide (ÜMDs, engl. TMDs oder TMDCs abgekürzt) und deren mögliche Anwendungen erreicht werden, indem untersucht wird, wie/ob- Typ-II Heterostrukturen (z.B. von MoSe2/MoTe2, oder WSe2/WS2) die direkte Bandlücke der entsprechenden Monolagenbestandteile beibehalten und als vielversprechender Kandidat für Photovoltaikbauteilen und Photodetektoren durch den Einsatz von Grenzflächenexzitonen (räumlich indirekten Exzitonen) betrachtet werden können. Ebenso sei geprüft, ob Typ-I Heterostrukturen wie WSe2/MoTe2 als ideale Struktur für niedrigschwellige Laserdioden durch das Vorliegen direkter Exzitonen – sowohl direkt im Real- als auch Impulsraum –  eingestuft werden können.

Heterostrukturierung, die optoelektronische Eigenschaften von Monolagensystemen auf kontrollierbare Art verändert und vor allem bereichert, soll als Gegenstand der Projektforschung Anwendungen wie der Energiegewinnung und Lichterzeugung mit den biegsamen, nanometer-dünnen 2D-Materialien herangeführt werden. Auch spielt das 2D-Material 'hexagonales Bornitrid (h-BN)' aufgrund einzigartiger Eigenschaften und Funktionalitäten als besonderes 2D-Material alleine oder im Verbund mit den anderen 2D-Materialien eine entscheidende Rolle.

Das Verständnis, welche Rolle eine Gitterfehlanpassung beziehungsweise Verdrehung unter den Schichten eines Stapels sowie die dielektrische Umgebung beziehungsweise das eingesetzte Substrat spielt, ist maßgeblich für einen effektiven Einsatz und für die maßgeschneiderte Einstellung der gewünschten Materialeigenschaften. Der optische Zugang und spektroskopische Methoden mögen bei der Einschätzung, Untersuchung sowie Nutzung dieser vielschichtigen Materialsysteme wertvolle Einblicke liefern.

Verlängerungsprojekt beantragt

Die Chance, 2D Materialien vertikal zu stapeln, bietet enorme Möglichkeiten in Hinblick auf Heterostrukturierung und Bandlückenkonfigurierung. Dies kommt nahezu ohne Einschränkungen in Hinblick auf Gitteranpassung, wenn die 3D Welt aus der 2D Ebene wiederbetreten wird. Jedoch können Verdrehungen einzelner Schichten zu einander, den sogenannten „Twists“, die die elektronische Kopplung zwischen den Nanoschichten ändern und sogenannte Moirémuster erzeugen, periodische Potentiallandschaften induzieren. Eine Richtung der Projektfortsetzung beabsichtigt, die optischen Eigenschaften von Monolagenheterostrukturen, in denen CVD-gewachsene und exfolierte Wolframdichalkogenide zum Einsatz kommen, auf ähnliche Weise wie die im Rahmen der überspannenden Projektziele untersuchten anderen Typ-I und Typ-II Übergangsmetalldichalkogenid (ÜMD) Heterostrukturen und Bilagensysteme zu erforschen.

Die Schlüsselmethoden, die in aktuellen Vorhaben zum Einsatz kommen, sind die optische Spektroskopie und die kontrollierte Herstellung von Van-der-Waals (VdW) Stapel in Umgebungsluft oder unter einer Schutzatmosphäre, gegebenenfalls durch einen Einschluss mit hexagonalem Bornitrid (hBN). Zur Charakterisierung der Exzitonmoden kommen zeitauflösende, zeitmittelnde oder winkelauflösende optische Spektroskopie ins Spiel, unterstützt durch Mikro-Ramanspektroskopie zur Analyse von Materialverspannungen und Schichteigenschaften.

Erfolgreich im Verbund forschen

Das Zuspiel seitens theoretisch und experimentell forschender Kooperationspartner möge hier die Beurteilung optoelektronischer Merkmale beziehungsweise Nanostruktureigenschaften unterstützen, welche später in Nachfolgeprojekten für photonische Bauteile basierend auf grenzflächigem Ladungstransfer und Heterostruktur-Moirézuständen genutzt werden können. Im Wesentlichen möchten wir mit unseren Projektarbeiten und als Teil des Schwerpunktprogramms SPP2244 verstehen, in wie fern/wie, kurzgefasst, ÜMD Heterostrukturen (aus Monolagen bestehend) durch den Verdrehungswinkel einstellbare optische Eigenschaften besitzen beziehungsweise Verbesserungen, Verschlechterungen oder sonstige relevante Veränderungen erfahren, welche auf mögliche Phasenraumfehlanpassung, elektronische Hybridisierung, induzierte Potentiallandschaften beziehungsweise Gitterrekonstruktionen zurückgeführt werden könnten.

Ein besseres Verständnis des Grenzflächensystems und des Ladungstransfers oder der Exziton-Eigenschaften kann beispielsweise für zukünftige Anwendungen mit photonisch-integrierten 2D-Nanomaterialien wichtig sein, wie die Photovoltaik, Lichtdetektion oder -Erzeugung. Es stellt wahrlich die Optimierung optischer Bauteile in Bezug auf Energie- und Kosteneffizienz mit speziell konzipierten niedrigdimensionalen Materialsystemen basierend auf extrem dünnen Schichten – sub-nanometer-hoher Kristallfilme – in Aussicht.

 

Ansprechpartner und Projektleiter: Dr. Rahimi-Iman

In Kooperation mit Forschungsgruppen in Deutschland, China und den U.S.A, u.a. im DFG Schwerpunktprogramm SPP2244 und in der Chinesisch-Deutschen FNMS-COOP Gruppe.

Ausgewählte Publikationen mit Projektbezug:

  1. S. Qin, K. Li, J.  Zhu, H. Xu, N. Ali, A. Rahimi-Iman, H. Wu (2021): A new strategy to improve the performance of MoS2-based 2D photodetector by synergism of colloidal CuInS2 quantum dots and surface plasma resonance of noble metal nanoparticles, Journal of Alloys and Compounds 856, 158179 (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.158179).
  2. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Optical dispersion of valley-hybridised coherent excitons with momentum-dependent valley polarization in monolayer semiconductor, 2D Materials 8, 015009 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/abb5eb OpenAccess).
  3. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2020): Direct Measurement of the Radiative Pattern of Bright and Dark Excitons and Exciton Complexes in Encapsulated Tungsten Diselenide,
    Sci. Rep. 10, 8091 (https://doi.org/10.1038/s41598-020-64838-z OpenAccess).
  4. M. Shah, L. M. Schneider, A. Rahimi-Iman (2019): Observation of Intralayer and Interlayer Excitons in Monolayered WSe2/WS2 Heterostructure,
    Semiconductors 53, 96 (https://doi.org/10.1134/S1063782619120273).
  5. L. M. Schneider, S. S. Esdaille, D. A. Rhodes, K. Barmak, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2019): Shedding light on exciton’s nature in monolayer quantum material by optical dispersion measurements, Opt. Express 27, 37131 (https://doi.org/10.1364/OE.27.037131 OpenAccess).
  6. L. M. Schneider, J. Kuhnert, S. Schmitt,W. Heimbrodt, U. Huttner, L. Meckbach, T. Stroucken, S. W. Koch, S. Fu, X. Wang, K. Kang, E.-H. Yang, A. Rahimi-Iman (2019): Spin-Layer and Spin-Valley Locking in CVD-Grown AA’- and AB-Stacked Tungsten-Disulfide Bilayers, J. Phys. Chem. C 123, 21813 (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07213 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1905.02814).
  7. J. Kuhnert, A. Rahimi-Iman, W. Heimbrodt (2017): Magneto photoluminescence measurements of tungsten disulphide monolayers, J. Phys.: Cond. Matt. 29, 08LT02 (https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa55a9 | accessible via preprint https://arxiv.org/pdf/1609.09312).
  8. P. Lu, J. Lang, Z. Weng, A. Rahimi-Iman, H. Wu, (2017): Hybrid Structure of 2D Layered GaTe with Au Nanoparticles for Ultrasensitive Detection of Aromatic Molecules, ACS Applied Materials Interfaces 10, 1356–1362 (https://doi.org/10.1021/acsami.7b14121).
  9. S. Lippert, L. M. Schneider, D. Renaud, K. N. Kang, O. Ajayi, M. Halbich, O. M. Abdulmunem, X. Lin, J. Kuhnert, K. Hassoon, S. Edalati-Boostan, Y. D. Kim, W. Heimbrodt, E.-H. Yang, J. C. Hone, A. Rahimi-Iman (2017): Influence of the Substrate Material on the Optical Properties of Tungsten Diselenide Monolayers,
    2D Materials 4, 025045 (https://doi.org/10.1088/2053-1583/aa5b21 OpenAccess).
  10. R. Li, L. M. Schneider, W. Heimbrodt, H. Wu, M. Koch, A. Rahimi-Iman (2016): Gate tuning of Förster Resonance Energy Transfer in a Graphene - Quantum Dot FET Photo-Detector, Scientific Reports 6, 28224 (https://doi.org/10.1038/srep28224 OpenAccess).
Rights
Arash Rahimi-Iman