Optoelektronik: Grazer Forscher setzen auf optimiertes Graphen

Graz (APA) - Graphen gilt als große Zukunftshoffnung in der Materialforschung: Es gilt zugleich als das dünnste, steifste und stärkste bekannte Material und besitzt höchste Fähigkeit, Wärme und Strom zu leiten. Aber es ist kein Halbleiter. Ein Team unter Grazer Beteiligung will das ultradünne Material mit Eigenschaften optischer Halbleiter ausstatten, teilte die Uni Graz mit.

Noch nicht lange Zeit kann die Wissenschaft Materialien herstellen, die aus einer einzigen Atomlage bestehen. Graphen ist so ein Material. Es besteht aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die wabenförmig angeordnet sind und in denen sich die Elektronen nur zweidimensional in der Ebene fortbewegen können, schilderte der Theoretische Physiker Ulrich Hohenester auf Anfrage der APA am Donnerstag.

Es kann u.a. Lichtsignale extrem schnell in elektrische Signale umwandeln, ein Vorteil, wenn man große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen will. Deshalb gelten diese zweidimensionalen Kristalle aus Kohlenstoff als „Wundermaterial“ für viele künftige Anwendungen. Die erhofften Anwendungen in der Elektronik haben die Erwartungen jedoch noch nicht erfüllt: Denn Graphen lässt sich nicht einfach von leitend auf nichtleitend umschalten, wie es bei Halbleitern mit ihren logischen Schaltungen zwischen Null und Eins notwendig wäre, schilderte Hohenester das Dilemma. Doch es tut sich nach ersten Experimenten im internationalen Team um Giancarlo Soavi vom Graphene Centre der Universität Cambridge und Stefano Dal Conte vom Politecnico di Milano eine mögliche Lösung auf.

Wenn die Graphen-Monolage mit Laserimpulsen bestrahlt wird, verlässt ein Elektron die Umgebung seines Atomkerns und dem Atom fehlt plötzlich dessen negative Ladung. Dabei entsteht ein Ladungsloch, das auf benachbarte Atome überspringen kann. So ein Loch ist damit ein positiv geladenes „Quasi-Teilchen“, das mit einem Elektron eine Bindung eingehen kann. Dieses sogenannte Exziton kann seine Anregungsenergie durch das Material hindurchtransportieren, ohne dass ein Ladungstransport stattfindet. Beim Übergang in den Grundzustand gibt es die gespeicherte Energie in Form von Licht ab.

„Wir haben aus Graphen auf chemischen Weg winzig schmale Streifen, sogenannte Graphene Nano Ribbons, GNRs, ausgeschnitten. Danach wurden die GNR mit ultrakurzen Laserimpulsen angeregt, so dass Exzitonen entstanden. Im Experiment und bei den Simulationen in Graz habe sich gezeigt, dass bei stärkerer Anregung zwei Exzitonen einen weiteren Bindungszustand - ein sogenanntes Bi-Exziton - eingehen“, berichtete der Grazer Forschungsgruppenleiter. Dieser Quantenzustand hat aufgrund der zusätzlichen Bindung andere Eigenschaften: In den entsprechenden Lichtspektren sind aufgrund der zusätzlichen Bindung Änderungen bemerkbar. Was die Forscher nicht erwartet haben: „Die Bindungsenergie war extrem groß“, führte Hohenester aus. Graphen werde so laut dem Grazer Forscher für den Einsatz in optischen Bausteinen, wie etwa bei LED-, Laser- und Solarzellen-Technologie, geeignet, „ohne dass die einzigartigen mechanischen und elektronischen Eigenschaften verloren gehen“.