03.07.2018 Halbleiter überrascht mit unerklärlichem Verhalten

Marburger Physiker finden einen bislang unbekannten Effekt

Foto: Rolf Wegst
Markus Stein bereitet das Experiment vor, das die ungewöhnlichen Eigenschaften des verwendeten Halbleiters zutage förderte.

Ein Musterknabe benimmt sich daneben, und keiner weiß, warum: Marburger Physiker sind beim Experimentieren mit Halbleitern auf ein abweichendes Verhalten gestoßen, das sich nicht mit den bekannten physikalischen Mechanismen erklären lässt. Das benutzte Halbleitersystem dient als Modell für technische Anwendungen, bei denen ein Elektronenübergang an Grenzflächen stattfindet, was für fast alle elektronischen und optisch-elektronischen Geräte zutrifft. Die Forschergruppe von der Philipps-Universität Marburg berichtet über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts „Physical Review Letters“.

Leuchtdioden und viele andere optoelektronische Bauelemente, die wir tagtäglich verwenden, enthalten Halbleiterquantenfilme, das sind dünne Schichten, die zwischen anderen Materialien eingebettet sind. „Lichtteilchen können von diesen Nanoschichten absorbiert werden“, erläutert der Marburger Physikdoktorand Markus Stein, Erstautor des aktuellen Fachaufsatzes. Dabei gibt es Absorptionslinien, also Wellenlängen, bei denen die elektromagnetische Strahlung besonders gut absorbiert wird. „Es ist seit langem bekannt, dass diese Linien schwächer und breiter werden, wenn man das Halbleitermaterial bestrahlt“, führt Stein aus.

Der Nachwuchswissenschaftler fand nun heraus, dass die Linien unter bestimmten Bedingungen auch stärker und schmaler werden können. „Das ist ein für uns völlig unerwarteter Effekt“, sagt Professor Dr. Martin Koch, der die Marburger Arbeitsgruppe Halbleiterphotonik leitet, in der Stein derzeit seine Doktorarbeit anfertigt: „Alle Erklärungsversuche auf der Grundlage bekannter physikalischer Mechanismen versagen.“  

Für seine Experimente verwendete Stein Material, das die Arbeitsgruppe Halbleiterepitaxie hergestellt hat, die von Professor Dr. Wolfgang Stolz geleitet wird. Die Proben enthalten Quantenfilme, die Stein mit einem kurzen Laserpuls anregte, der nach etwa einer Nanosekunde zu einer verstärkten Absorption führte.

Die untersuchten Halbleiter taugen als Muster für Materialsysteme, bei denen eine räumliche Ladungsübertragung stattfindet, was zum Beispiel für das Funktionieren von Solarzellen unerlässlich ist. Daher vermutet Koch, dass die Fachwelt das neue Phänomen zum Anlass nimmt, um weitere Experimente durchzuführen und die Befunde theoretisch zu erklären. Technische Anwendungen sind nicht auszuschließen, liegen aber einstweilen noch in ferner Zukunft.

Professor Dr. Martin Koch lehrt Experimentelle Halbleiterphysik an der Philipps-Universität Marburg. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte die Forschungsarbeiten, die der aktuellen Veröffentlichung zugrunde liegen, durch den Marburger Sonderforschungsbereich 1083.

Originalpublikation: Markus Stein & al.: Enhanced absorption by linewidth narrowing in optically excited type-II semiconductor heterostructures, Physical Review Letters 121/2018, 017401, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.017401    

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