Elektronische Geräte benötigen Halbleiter, die meist aus kristallinem Silizium hergestellt werden. Dabei werden in der Regel dreidimensionale Kristalle verwendet, die jedoch wenig flexibel, schwer und teuer sind. Bekannte Alternativen wie organische Halbleiter und Dünnfilmtechnologien weisen meistens Defizite bei der Materialqualität und damit Haltbarkeit auf. Zweidimensionale kristalline Materialschichten mit einer Dicke von nur einem oder wenigen Atomen könnten dieses Dilemma nun lösen, da sie günstig und flexibel einsetzbar sind und trotzdem alle Vorteile kristallinen Materials aufweisen.
Bandlücke ermöglicht Diode mit p-n-Übergang
Einem Team des Instituts für Photonik der Technischen Universität Wien ist es jetzt erstmals gelungen, eine Diode mit p-n-Übergang aus solchen 2D-Kristallen zu produzieren und damit die Grundlage für einen Umbruch in der 2D-Optoelektronik zu legen. Als Ausgangsmaterial nutzte das Team um Prof. Thomas Müller Wolframdiselenid (WSe2), das im Vergleich zum bekannten 2D-kristallinen Graphen den entscheidenden Vorteil einer Bandlücke aufweist. Diese Materialeigenschaft, bei der Elektronen eine gewisse Energie benötigen, um in das Leitungsband überzutreten, ist eine Grundvoraussetzung für viele elektronische Bauelemente und kann mit Graphen nur schwer hergestellt werden.
Forscher schälen 2D-Schichten von 3D-Kristallen
Damit WSe2 für die weitere Arbeit des Teams tatsächlich in Form einer 2D-Schicht vorlag, wurde es von dreidimensionalen Kristallen mechanisch so "abgeschält", dass Schichten von nur 0,7 Nanometer Dicke entstanden. Spektroskopische Analysen, optische Kontrastbestimmungen und Rasterkraftmikroskopie bestätigten dann, dass so tatsächlich 2D-Kristalle entstanden, denn nur solch dünne Schichten weisen die geforderten Eigenschaften auf. Das einschichtige WSe2 wurde dann zwischen zwei Elektroden platziert und das elektrische Verhalten näher bestimmt. Dabei konnte die Funktion als p-n-Diode eindeutig belegt werden: Sowohl positive (p, Löcher) als auch negative (n, Elektronen) Ladungen konnten injiziert werden, wobei die Stromleitung, wie in einer Diode üblich, ausschließlich in eine Richtung erfolgte.
Erster Nachweis photovoltaischer Eigenschaften
Die Forscher konnten eine Effizienz von 0,5 Prozent bei der Umwandlung von Licht in elektrische Energie messen und weltweit erstmals die photovoltaischen Eigenschaften eines 2D-kristallinen Materials demonstrieren. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig: Die hohe Transparenz von 95 Prozent macht sogar den gleichzeitigen Einsatz als Fensterglas und Solarzelle möglich. Es können aber auch mehrere solcher ultra-dünnen Schichten übereinander gepackt werden, um so die Effizienz auf bis zu 10 Prozent zu steigern. Auch die Funktionalität als Photodiode wurde nachgewiesen und dabei eine um eine Größenordnung höhere Empfindlichkeit erreicht, als sie Graphen aufweist. Ergänzt werden diese Eigenschaften durch die Fähigkeit, elektrische Energie in Licht umzuwandeln.
