Foto: Lukas Kroll
Solarzellen, LEDs und Sensoren könnten bald deutlich effizienter werden. Der Schlüssel dazu liegt in einer kaum sichtbaren physikalischen Eigenschaft: den sogenannten dunklen Exzitonen. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung der Universität Göttingen hat eine Methode entwickelt, um diese schwer nachweisbaren Teilchen erstmals gezielt zu beobachten. Die neue Technik könnte zukünftige Halbleiter-Technologien revolutionieren.
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Was sind dunkle Exzitonen?
Dunkle Exzitonen sind besondere Ladungsträgerzustände in Halbleitern. Sie entstehen, wenn Licht ein Elektron in einen höheren Energiezustand versetzt. Dabei bleibt eine positive Lücke, das sogenannte Elektronenloch, zurück. Elektron und Loch sind durch eine Kraft miteinander verbunden – die Coulomb-Wechselwirkung. Im Gegensatz zu normalen Exzitonen können dunkle Exzitonen jedoch kein Licht emittieren. Das macht sie unsichtbar für herkömmliche optische Messmethoden.
Schon in den 1960er-Jahren wurde die Existenz von Exzitonen theoretisch vorhergesagt. Doch erst 2020 gelang Forschenden am Okinawa Institute of Science and Technology der direkte experimentelle Nachweis von dunklen Exzitonen in Halbleitern. Sie stellten fest, dass diese unsichtbaren Energieträger sogar häufiger vorkommen als ihre sichtbaren Gegenstücke. Das weckte das Interesse der Wissenschaft, da sich durch ihre gezielte Nutzung Halbleiterbauteile deutlich verbessern lassen könnten.
Neuer Blick auf dunkle Exzitonen
Ein Team um Prof. Dr. Stefan Mathias vom I. Physikalischen Institut der Universität Göttingen hat nun eine neue Methode entwickelt: die ultraschnelle Dunkel-Feld-Impulsmikroskopie. Mit dieser Technik gelang es erstmals, dunkle Exzitonen direkt in einer speziellen Materialstruktur aus Wolframdiselenid (WSe₂) und Molybdändisulfid (MoS₂) zu beobachten.
Die Messungen fanden auf extrem kurzen Zeitskalen statt: Nur 55 Femtosekunden (0,000000000000055 Sekunden) dauert die Entstehung dieser Teilchen. Gleichzeitig erreicht die Methode eine Auflösung von 480 Nanometern – das entspricht etwa der halben Wellenlänge von sichtbarem Licht. Damit ermöglicht sie eine präzisere Analyse von Halbleitermaterialien als je zuvor.
„Mithilfe dieser Methode können wir die Dynamik von Ladungsträgern präzise sichtbar machen“, erklärt Dr. David Schmitt, Erstautor der Studie. „Unsere Ergebnisse zeigen, wie Materialeigenschaften die Bewegung von Ladungsträgern beeinflussen. Damit kann die Technik in Zukunft gezielt zur Optimierung von Solarzellen eingesetzt werden.“
Auswirkungen auf Solarzellen und Halbleitertechnologie
Der praktische Nutzen dieser Entdeckung könnte enorm sein. Da dunkle Exzitonen eine wichtige Rolle bei der Energieverteilung in Halbleitern spielen, könnte ihre gezielte Steuerung die Effizienz von Solarzellen steigern. Bisher geht ein großer Teil der Energie in Form von Abwärme verloren, bevor sie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die neue Technik könnte helfen, diesen Prozess zu optimieren und den Energieverlust zu minimieren.
Dr. Marcel Reutzel, Nachwuchsgruppenleiter in der Arbeitsgruppe von Mathias, betont: „Unsere Methode ist nicht nur für diese speziellen Systeme relevant, sondern könnte auch für die Erforschung neuer Halbleitermaterialien genutzt werden.“ Das bedeutet, dass auch andere elektronische Bauteile, wie LEDs oder optische Sensoren, von dieser Technik profitieren könnten.
Zukunftsperspektiven
Die Forschungsergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Die Erkenntnisse könnten weitreichende Folgen für die Entwicklung neuer Halbleitertechnologien haben. Besonders spannend: Die ultraschnelle Dunkel-Feld-Impulsmikroskopie könnte künftig eine Standardmethode werden, um Materialeigenschaften auf atomarer Ebene zu untersuchen.
Mit dieser neuen Technologie erhalten Forschende einen bisher unerreichten Einblick in die Funktionsweise von Halbleitern. Die Möglichkeiten für effizientere Solarzellen, leistungsfähigere LEDs und empfindlichere Detektoren sind laut Forschungsteam enorm.
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