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Spektroskopie an neuen Materialien und Nanophotonik

Photo by Tim van de Bovenkamp
2D-Team 2017

Die Erforschung von neuartigen Materialien wie Graphen und monolagigen zweidimensionalen (2D) Halbleitermaterialien und Isolatoren ist aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften und ihrer Neuheit international sehr stark in den Fokus aktueller Forschung gerückt. Diese Klasse von sub-nanometerdünnen 2D Materialien, die zukünftig in (opto)elektronischen Bauelementen zum Einsatz kommen sollen, wird auch in der Marburger Materialwissenschaft und Physik vermehrt untersucht. Nach ersten erfolgreichen Voruntersuchungen und Veröffentlichungen sollen die einzigartigen elektrooptischen Eigenschaften in Verbindung mit Mikro- und Nanostrukturen neuartige Nanolaser, Photodetektoren, und funktionalisierte Grenzflächensysteme hervorbringen.

Im Folgenden soll anhand von Beispielen ein Eindruck von interessanten Materialien, Nanostrukturen und Bauteilen gegeben werden.


Mit Nanostrukturen effizienter Licht detektieren

Nanopartikel und zweidimensionale Materialien in neuartigen Photodetektorstrukturen zu vereinen, das war das Ziel unseres binationalen Physikerteams von der Zhejiang Universität in Hangzhou, China, und vom Fachbereich Physik der Philipps-Universität Marburg. In unseren aktuellen Studien verfolgen wir vor allem simple, verspielte, und gleichzeitig wissenschaftlich spannende Ansätze, um interessante Konzepte umzusetzen.

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Grafik: Maximilian Schneider

Abb.1: Schema einer einatomigen Schicht aus Graphen,
die mit aufgetragenen Quantenpunkten funktionalisiert worden ist,
damit effizient Licht aufgenommen und mit dem Bauteil detektiert werden kann.

Wir haben unseren besonderen Photodetektor schließlich gemeinsam in Hinblick auf eine Verbesserung der Lichtdetektion mittels einer elektrischen Rückkontaktspannung in Marburg in den Arbeitsgruppen der Experimentellen Halbleiterphysik (AG Koch und AG Heimbrodt) untersucht. Ziel war es vor allem, mit einem geeigneten System von Quantenpunkten und Graphentransistor den Transfer der vom Licht erzeugten Ladungsträger beziehungsweise den Energietransfer von den Quantenpunkten zum Graphen hin zu charakterisieren.

In einer Forschungsarbeit wird z.B. ein mittels Laserbearbeitung und elektrischer Kontaktierung selbsthergestellter Graphen-Feldeffekttransistor vorgestellt, der die besonderen elektrischen Eigenschaften der ultradünnen Schicht aus Kohlenstoff, dem sogenannten Graphen, und die hohe Effizienz bei der Lichtaufnahme von wenige Nanometer großen Partikeln aus Halbleitermaterial, den kolloidalen Quantenpunkten, ausnutzt. Diese seit einigen Jahren vermehrt erforschten Bestandteile der Untersuchung können zum einen relativ einfach selbst hergestellt, zum anderen auch unkompliziert kommerziell erworben werden. In immer mehr Anwendungen sollen sie zukünftig zum Einsatz kommen, von der Beleuchtungs- und Displaytechnik bis hin zur Photovoltaik und Lichtdetektion.

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Foto: Ruifeng Li, Zhejiang University

Abb. 2: Quantenpunkte in Lösung

Unserem Team, das unter anderem in Marburg in einem Sonderforschungsbereich (SFB 1083) die Physik an inneren Grenzflächen intensiv erforscht, war bewusst, dass der Mechanismus und die Effizienz des Transfers von der Beschaffenheit der Grenzfläche zwischen den Quantenpunkten und Graphen bestimmt sein muss. Durch geeignete Wahl der Quantenpunktumhüllung, die einerseits die Eigenschaften der Nanopartikel in Lösung und andererseits die Nähe und Interaktionsart zum Graphen beeinflusst, konnte gezielt eine Änderung der Energietransferrate mit der Transistorschaltspannung bewirkt und mittels optischer Spektroskopie erfasst werden. Dadurch konnte zudem der beste Betriebspunkt für diesen Photodetektor ermittelt und eingestellt werden. Das untersuchte Verhalten wurde auch durch ein theoretisches Modell, welches rein einen (für das untersuchte System) erwarteten Förster-Resonanz Energietransfer beschreibt, gut wiedergegeben. Derzeit möchten wir ähnliche Untersuchungen auch mit anderen Materialien und verbesserten Strukturen durchführen.

Unterstützt wurden unsere Forschungsvorhaben auf diesem Gebiet sowohl durch die Philipps-Universität Marburg, die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG: SFB 1083) als auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms des Deutschen Akademischen Austauschdiensts (DAAD) für Strategische Partnerschaften, sowie durch die Nationale Naturwissenschaftsgemeinschaft Chinas. Ermöglicht wurde diese erfolgreiche Zusammenarbeit zum Thema Quantenpunkt-Graphen-Photodetektor vor allem durch die geschickte Verbindung der gemeinsamen Kompetenzen beider Universitäten im Bereich Halbleiterspektroskopie und Materialwissenschaft sowie den beidseitigen wissenschaftlichen Besuch auf Projektleitungs- und Studierendenebene. Für unsere Studierenden bedeutet dies, auch mal selbst im Ausland in einem Expertenteam an aktuellen Themen zu forschen.

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Fotoquelle: AG Prof. Wu

Abb. 3: Maximilian Schneider (vorne) und Ruifeng Li (hinten) gemeinsam
im Labor an der Zhejiang University, Hangzhou, in China.

Weitere Informationen:

Originalveröffentlichung: Ruifeng Li, Lorenz Maximilian Schneider et al: Gate Tuning of Förster Resonance Energy Transfer in a Graphene - Quantum Dot FET Photo-Detector, Scientific Reports 6:28224 (2016), www.nature.com/articles/srep28224 DOI: 10.1038/srep28224

Ansprechpartner: Dr. Arash Rahimi-Iman