Am Institut für Physik der Karl-Franzens-Universität Graz wurde in Kooperation mit internationalen PartnerInnen ein neuartiges Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, das Halbmetall Graphen mit Funktionen optischer Halbleiter auszustatten. „Graphen wird dadurch für den Einsatz in optischen Bausteinen, wie etwa bei LED-, Laser- und Solarzellen-Technologien, geeignet, ohne dass die einzigartigen mechanischen und elektrischen Eigenschaften verloren gehen“, erklärt Ao. Univ.-Prof. Dr. Ulrich Hohenester, der die Grazer Forschungsgruppe leitet. Die Ergebnisse dieses Grundlagenexperiments sind kürzlich in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ erschienen.
„Wir schneiden aus Graphen extrem schmale Bänder – so genannte graphene nano ribbons (GNRs) – aus. Dadurch wird eine Bandlücke geöffnet, die für optische Anwendungen von zentraler Bedeutung ist, während gleichzeitig viele positive Materialeigenschaften des Halbmetalls beibehalten werden“, erklärt Hohenester das Verfahren. In den Experimenten wurden GNR mit ultrakurzen Laserpulsen angeregt: Das stimulierte Elektron wandert vom Valenzband in das Leitungsband. Was zurückbleibt ist ein Loch. Nun kommt es zu einer Bindung zwischen dem Elektron und dem Loch, ähnlich wie bei einem Wasserstoffatom. Das Ergebnis ist ein so genanntes Exziton. „Wir konnten in unseren Simulationen hier in Graz zeigen, dass bei einer stärkeren optischen Anregung zwei Exzitonen einen weiteren Bindungszustand – ein sogenanntes Biexziton – eingehen. Diese sind zum Beispiel auch zur Ladungsträgervervielfältigung in Solarzellen von großer Wichtigkeit“, führt der Wissenschafter aus. Die Änderung des optischen Spektrums wurde mit einer Zeitverzögerung von wenigen Pikosekunden - 0,000.000.000.001 Sekunden – gemessen. Durch eine zunehmende Anregungsleistung und somit höherer Zahl von angeregten Elektronen und Löchern taucht in den Spektren eine Änderung aufgrund der Bindung von Biexzitonen auf. Überraschenderweise ist diese Bindungsenergie extrem groß, was wiederum für viele optische Elemente extrem vorteilhaft sein könnte.
Die Arbeit entspringt einer Kooperation mit mehreren internationalen Forschungsgruppen und ist in den universitären Forschungsschwerpunkt „Modelle und Simulation“ sowie in den Sonderforschungsbereich NextLite des FWF, der sich mit der Erforschung von neuartigen Lichtquellen sowie mit Licht-Materie-Wechselwirkung beschäftigt, eingebunden.
Publikation:
Giancarlo Soavi, Stefano Dal Conte, Cristian Manzoni, Daniele Viola, Akimitsu Narita, Yunbin Hu, Xinliang Feng, Ulrich Hohenester, Elisa Molinari, Deborah Prezzi, Klaus Müllen, Giulio Cerullo: Exciton-exciton annihilation and biexciton stimulated emission in graphene nanoribbons, Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms11010