Mit den Exzitonen läutet die EPFL die Elektronik der Zukunft ein

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Das Exziton, ein Transistor auf der Basis eines wenig bekannten Partikels, hat zum ersten Mal bei Raumtemperatur funktioniert. Die an der EPFL gemachte Entdeckung könnte zu viel sparsameren, schnelleren und kompakteren Geräten führen. Sie war Gegenstand einer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature.

Das Exziton könnte die gesamte Konzeption der Elektronik revolutionieren. Ein Forscherteam der EPFL hat einen Transistor, d.h. einen der Bestandteile eines Schaltkreises, auf der Basis dieser Partikel statt Elektronen entwickelt. Vor allem brachten ihn die Wissenschaftler zum ersten Mal bei Raumtemperatur zum Funktionieren und konnten seine Wirksamkeit beweisen, wodurch die wichtigste Einschränkung dieser Art von Systemen beseitigt wurde. Dieser Erfolg ist insbesondere der Wahl von zwei zweidimensionalen Werkstoffen als Halbleiter geschuldet. Die in der Fachzeitschrift Nature bekannt gegebene Entdeckung ebnet den Weg für eine ganze Palette an neuen Möglichkeiten im Bereich der Exzitonik, der sich nach der Fotonik und der Spintronik als besonders viel versprechend erweist.

«Unsere Arbeit hat gezeigt, dass wir es bei den Exzitonen ganz einfach mit einer alternativen Art der Elektronik zu tun haben», erklärt András Kis, der das Labor für Elektronik und Strukturen im Nanobereich (LANES) an der EPFL leitet. Wir stehen am Anfang eines völlig neuen Wissensfeldes, dessen Bedeutung wir noch nicht abschätzen können.»

Diese Entdeckung dürfte zum Bau sparsamerer, schnellerer und kompakterer Optoelektronikgeräte als die aktuellen Instrumente führen. Des Weiteren wird man im gleichen Gerät optische Übermittlung und elektronische Datenverarbeitung kombinieren und so die Anzahl Vorgänge minimieren und folglich die Effizienz der Systeme steigern können.

«Diese Entdeckung dürfte zum Bau sparsamerer, schnellerer und kompakterer Optoelektronikgeräte als die aktuellen Instrumente führen.»

Höheres Energieniveau

Ein Exziton ist eigentlich ein sogenanntes Quasiteilchen. Dieser Begriff dient dazu, nicht die Materie selbst, sondern die Interaktion im Innern des Teilchens zu beschreiben. Im vorliegenden Fall handelt es sich um ein Paar aus einem Elektron und einem Elektronenloch. Es entsteht, wenn Ersteres ein Foton absorbiert und dadurch ein höheres Energieniveau erreicht. Das auf diese Weise angeregte Elektron hinterlässt ein Loch auf dem vorhergehenden Energieniveau, das in der Bändertheorie als Valenzband bezeichnet wird. Auch das Loch ist ein Quasiteilchen, das auf das Fehlen des fraglichen Elektrons in diesem Band hinweist.

Da das Elektron negativ und das Loch positiv geladen ist, bleiben die beiden Teilchen jedoch durch eine elektrostatische Kraft miteinander verbunden. Die sogenannte Coulomb-Wechselwirkung will das Elektron und das Loch wieder zusammenbringen. In diesem Spannungs- und Gleichgewichtszustand bilden sie gemeinsam ein Exziton. Wenn das Elektron schliesslich wieder ins Loch fällt, setzt es ein Foton frei. Damit hört das Exziton auf zu existieren. Zusammengefasst lässt sich also sagen, dass am Anfang des Kreislaufs ein Foton eintritt und am Ende wieder austritt. Dazwischen entsteht ein Exziton, das wie ein Partikel agiert.

Doppelter Erfolg

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler befassten sich erst in jüngster Zeit mit den Eigenschaften von Exzitonen im Zusammenhang mit elektronischen Schaltkreisen. Bisher war man der Auffassung, sie besässen zu wenig Energie und eine zu kurze Lebensdauer, um in diesem Rahmen wirklich interessant zu sein. Ausserdem konnten sie nur bei sehr tiefen Temperaturen (mindestens -173 °C) erzeugt und beobachtet werden.

Der Geniestreich der EPFL-Forscher besteht darin, dass es ihnen gelungen ist, sowohl die Lebensdauer als auch die Beweglichkeit der Exzitonen in der Materie zu steuern. Dies erfolgte durch die Nutzung von zwei zweidimensionalen Materialien, nämlich Wolframdiselenid (WSe2) und Molybdändisulfid (MoS2). «In diesen Stoffen zeichnen sich die Exzitonen durch eine besonders starke elektrostatische Verbindung aus, und vor allem werden sie bei Raumtemperatur nicht schnell zerstört», erklärt András Kis.

Ausserdem nutzten die Wissenschaftler die Tatsache, dass sich das Elektron systematisch in der MoS2-Schicht und das Loch in der WSe2-Schicht platzierte, wodurch sich die Lebensdauer des Exzitons erheblich verlängerte. In Zusammenarbeit mit zwei japanischen Forschern konnten sie die Lebensdauer noch mehr verlängern, indem sie die Halbleiterschichten der Umgebung durch Bornitrid (BN) schützten.

«So erschaffen wir Partikel einer neuen Art, deren Teile beide durch einen grösseren Raum als bei den herkömmlichen Exzitonen voneinander getrennt sind», erklärt der Forscher. Somit wird die Wiederzusammenführung von Elektron und Loch sowie die Produktion von Licht verzögert. In dem Augenblick, in dem die Exzitonen länger als Dipol agieren, können sie gesteuert und mithilfe eines elektrischen Feldes verschoben werden.»

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