Optik mit 2D-Quantenmaterialien

Mit der erfolgreichen Isolierung von Graphen, einer einzelnen Atomschicht aus Kohlenstoff, im Jahr 2004 begann die Ära der 2D-Materialien.[1 ]Die starken Bindungen zwischen den Atomen in derselben Schicht sind kovalent, während die Schichten durch schwache van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden und somit ein geschichtetes Material bilden. Die Eigenschaften einzelner oder weniger Schichten werden von der Quantenmechanik bestimmt und unterscheiden sich daher deutlich von den Eigenschaften großer Massenkristalle. 2D-Übergangsmetall-Dichalcogenid-Kristalle (TMDs) sind für die Optik und Elektronik besonders interessant. Beispiel Kristalle für TMDs sind die Halbleiter WS2, WSe2 und MoS2, die effizient Licht emittieren, wenn sie eine Monolage ausgedünnt werden, alle dickeren Kristalle emittieren weniger Licht. Schichten aus verschiedenen 2D-Materialien können auch kombiniert werden, um so genannte Van-der-Waals-Heterostrukturen (vdW) zu bilden. Durch die Wahl der beiden Materialien, die wir in einer gestapelten Doppelschicht kombinieren, und durch die Entscheidung über den Stapelungswinkel zwischen den Schichten können wir die Eigenschaften des neuen Kristalls abstimmen. Hier reichen die Eigenschaften von der Supraleitfähigkeit in mehrschichtigem Graphen bis zur abstimmbaren Photolumineszenz Wellenlänge und Polarisation in TMD-Heterostrukturen Schichten aus verschiedenen 2D-Materialien können auch kombiniert werden, um so genannte van der Waals (vdW) Heterostrukturen zu bilden. Durch die Wahl (i) der 2 Materialien, die wir in einer gestapelten Doppelschicht kombinieren, und (ii) des Winkels zwischen den Schichten lassen sich die Eigenschaften der vDW Heterostruktur gezielt manipulieren. Die einstellbaren Effekte reichen von Supraleitfähigkeit in Graphen-Mehrschichten bis hin zu abstimmbarer Photolumineszenz in TMD-Heterostrukturen.

Die Ziele dieses Experiments sind:

1. Einführung in die optischen Eigenschaften von 2D-Quantenmaterialien.
2. Verständnisses und Anwendung der optischen Mikroskopie zur Analyse atomarer Monolagen und ihrer starken Licht-Materie-Wechselwirkung
3. Abbildung, Messung und Analyse der Photolumineszenzemission von atomar dünnen Halbleitern und vdW-Heterostrukturen, um die verschiedenen Bandlücken und Lichtemissionsmechanismen in Quantenmaterialien zu verstehen.