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Projekt
Dipolare Exzitonen und Kopplung zwischen Monolagen: Optik, Dynamik und Transport in Janus-TMD-Heterostrukturen
Antragsteller
Professor Dr. Ermin Malic; Professor Dr. Andrey Turchanin; Professor Dr. Bernhard Urbaszek
Fachliche Zuordnung
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung seit 2024
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535253440
Die vertikale Stapelung von atomar dünnen Übergangsmetall-Dichalcogeniden (TMDs) zu van-der-Waals-Heterostrukturen ermöglicht die Realisierung einer Vielzahl von physikalischen Phänomenen und technologischen Anwendungen. Die Grenzfläche zwischen diesen beiden Materialien diktiert die resultierenden Eigenschaften, die durch die Wahl des Materials, des Rotationswinkels und durch elektrische Felder eingestellt werden können. Ein radikaler Ansatz zur Veränderung des Verhaltens dieser Grenzflächen ist die chemische Veränderung der konstituierenden Schichten. TMD-Monolagen bestehen aus einer Übergangsmetallschicht zwischen zwei Chalkogenschichten. Durch Ersetzen einer dieser Chalkogenschichten durch eine andere ist es daher möglich, ein "Janus"-TMD herzustellen, d.h. aus MoSe2 wird zum Beispiel SeMoS. Es wird erwartet, dass der inhärente Dipol in Janus-TMDs ihr Grenzflächenverhalten in TMD-Heterostrukturen (Janus HSs) drastisch verändert, indem er den Zwischenschichtabstand, die Hybridisierung der Wellenfunktion und das Moiré-Potenzial moduliert. Eine weitere Konsequenz des intrinsischen Dipols ist ein verstärkte Exziton-Phonon-Wechselwirkung. Daher erwarten wir, dass in Janus-HS Exzitonen unter Mitwirkung von Phononen äußerst effizient gebildet werden und Verluste bei der Rekombination minimiert werden könnten. Wir erwarten auch einen hochinteressanten Exziton-Transport in Janus-HSs: Einerseits dürften die erhöhten Moiré-Potentiale und die verstärkte Exziton-Phonon-Streuung die Ausbreitung von Exzitonen erheblich behindern, andererseits wird der inhärente Dipol mit Sicherheit zu einer effizienten Exziton-Exziton-Abstoßung führen, die einen schnelleren Exziton-Transport ermöglicht. Gegenwärtig sind Janus-HS nur unzureichend erforscht, es gibt nur eine Handvoll experimenteller und theoretischer Studien. In diesem Antrag werden wir eine gemeinsame experimentell-theoretische Zusammenarbeit durchführen, die modernstes CVD-Wachstum mit hochentwickelter optischer Charakterisierung und mikroskopischer Vielteilchentheorie kombiniert. Insbesondere werden wir (i) die Rolle erforschen, die die Stapelreihenfolge, die Materialwahl, der Rotationswinkel, die Temperatur und das elektrische Feld auf den optischen Fingerabdruck von Intra- und Interlayer-Exzitonen in Janus-HS haben, (ii) die Bildung, die Relaxation und den Zerfall von Exzitonen in Janus-HS aufzeigen, wobei die lange Lebensdauer, die verstärkte Exziton-Phonon-Streuung und der inhärente elektrische Dipol von entscheidender Bedeutung sein werden, (iii) den Exziton-Transport zu erforschen und zu bestimmen, wie das Moiré-Potenzial moduliert werden kann, um Exzitonen entweder einzufangen oder freizusetzen, indem die Stapelungsordnung und der Verdrehungswinkel in Janus-HS eingestellt werden. Unsere Arbeit wird Wege zur externen Abstimmbarkeit und Kontrolle all dieser Vielteilchenphänomene aufzeigen, die auch für optoelektronische Anwendungen auf Basis von Janus-TMD-Materialien von großer Bedeutung sind.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
