Donkere halfgeleiders laten glanzen

Of een vaste stof licht kan uitstralen, bijvoorbeeld als een lichtgevende diode (LED), hangt af van de energieniveaus van de elektronen in zijn kristalrooster. Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de natuurkundigen dr. Hangyong Shan en prof. dr. Christian Schneider van de Universiteit van Oldenburg is erin geslaagd de energieniveaus in een ultradun staal van de halfgeleider wolfraamdiselenide zo te manipuleren dat dit materiaal, dat normaal een lage luminescentieopbrengst heeft, begon te gloeien. Het team heeft nu een artikel over zijn onderzoek gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie.

Volgens de onderzoekers vormen hun bevindingen een eerste stap naar het beheersen van de eigenschappen van materie door middel van lichtvelden. “Het idee is al jaren besproken, maar was nog niet overtuigend geïmplementeerd”, aldus Schneider. Het lichteffect zou kunnen worden gebruikt om de optische eigenschappen van halfgeleiders te optimaliseren en zo bij te dragen aan de ontwikkeling van innovatieve leds, zonnecellen, optische componenten en andere toepassingen. Met name de optische eigenschappen van organische halfgeleiders – kunststoffen met halfgeleidende eigenschappen die worden gebruikt in flexibele displays en zonnecellen of als sensoren in textiel – zouden op deze manier kunnen worden verbeterd.

Wolfraamdiselenide behoort tot een ongebruikelijke klasse van halfgeleiders die bestaat uit een overgangsmetaal en een van de drie elementen zwavel, selenium of tellurium. Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers een monster dat bestond uit een enkele kristallijne laag van wolfraam- en seleniumatomen met een sandwichachtige structuur. In de natuurkunde worden dergelijke materialen, die slechts enkele atomen dik zijn, ook wel tweedimensionale (2D) materialen genoemd. Ze hebben vaak ongebruikelijke eigenschappen omdat de ladingsdragers die ze bevatten zich op een heel andere manier gedragen dan die in dikkere vaste stoffen en soms worden ze ‘kwantummaterialen’ genoemd.

Het team onder leiding van Shan en Schneider plaatste het wolfraamdiselenidemonster tussen twee speciaal geprepareerde spiegels en gebruikte een laser om het materiaal te exciteren. Met deze methode konden ze een koppeling maken tussen lichtdeeltjes (fotonen) en aangeslagen elektronen. “In onze studie laten we zien dat via deze koppeling de structuur van de elektronische overgangen kan worden herschikt, zodat een donker materiaal zich effectief gedraagt ​​als een helder materiaal”, legt Schneider uit. “Het effect in ons experiment is zo sterk dat de lagere staat van wolfraamdiselenide optisch actief wordt.” Het team kon ook aantonen dat de experimentele resultaten in hoge mate overeenkwamen met de voorspellingen van een theoretisch model.