Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Exzitonen in neuem Licht

06.07.2006
Leuchtdioden trotz weiter Verbreitung noch teilweise unverstanden? - Marburger Halbleiterphysiker widersprechen gängiger Auffassung des Lichtemissionsprozesses - Übersichtsartikel im Fachjournal Nature Materials

Leuchtdioden aus Halbleitermaterialien finden sich mittlerweile fast überall: in Haushaltsgeräten, als Anzeige- und Kontrolllichter oder als Laser in CD-Spielern, Laserdruckern und Supermarktscannern. "Der Prozess aber, durch den das Licht emittiert wird", so Professor Dr. Stephan W. Koch, der an der Philipps-Universität Marburg theoretische Halbleiterphysik lehrt, "ist in seinen Details immer noch nicht richtig verstanden. Zum Teil gibt es sogar massives Unverständnis hinsichtlich dessen Hintergründe." Nun hat das Fachjournal Nature Materials Stephan Koch und seine Kooperationspartner zu einem Überblicksartikel eingeladen, in dem sie den neuesten Stand der weltweiten Forschung kritisch diskutieren und ihr eigenes Konzept vorstellen, das die Fachwelt revolutionieren dürfte.

In "Halbleiter-Exzitonen in neuem Licht" ("Semiconductor excitons in new light", Nature Materials, 5. Juli 2006) berichten die Physiker darüber, dass nicht, wie allgemein angenommen wird, Exzitonen die Quelle des Lichts sind, das von Halbleitern emittiert wird, sondern dass häufig Elektron-Loch-Plasmen für die Lichterzeugung verantwortlich sind. Die Verwirrung rühre unter anderem daher, dass die experimentell gewonnenen Informationen über die Verteilung von Exzitonen in Halbleitern noch unzureichend sind. Um präzise in Erfahrung zu bringen, ob und unter welchen Bedingungen Exzitonen überhaupt auftreten, schlagen die Physiker spektroskopische Methoden auf Basis von Lichtquellen im Terahertzbereich vor.

Kochs Kooperationspartner sind der Marburger Juniorprofessor Dr. Mackillo Kira sowie Professorin Dr. Galina Khitrova und Professor Dr. Hyatt Gibbs von der US-amerikanischen University of Arizona in Tucson. Unter anderem als Forschungspreisträger der Alexander-von-Humboldt-Stiftung war Hyatt Gibbs bereits mehrfach zu Gast am Marburger Fachbereich Physik.

... mehr zu:
»Exziton »Physik

Plasma statt Exzitonen als Lichtquelle

Exzitonen - das Wort ist aus dem englischen "excitation" für "Anregung" abgeleitet - sind Elektron-Loch-Paare, die in enger Wechselwirkung miteinander stehen, also "gebunden" sind. Elektronen und Löcher in einem Plasma können sich hingegen frei und unabhängig voneinander bewegen. "Löcher" wiederum sind Stellen in einem Halbleiter, wo ein Elektron fehlt. Eine solche Stelle hat dieselben physikalischen Eigenschaften wie ein reales, positiv geladenes Teilchen, sodass sie auch als Quasi-Partikel bezeichnet wird.

Fällt ein Elektron in ein Loch - ein Vorgang, den man Rekombination nennt -, wird Energie frei und in Form von Licht ausgesandt. Kira und Koch haben nun erkannt, dass Lichterzeugung aufgrund einer solchen Rekombination nicht nur von Exzitonen herrühren kann, sondern dass dafür auch ein Elektron-Loch-Plasma in Frage kommt - und häufig sogar dominiert -, und zwar ohne dass sich dies an den Eigenschaften des ausgesandten Lichtes direkt erkennen ließe.

Um nun die Hintergründe der Lichtabstrahlung präzise in physikalischen Modellen fassen zu können, müssen die genauen Voraussetzungen für das Auftreten und die Verteilung von Exzitonen in Halbleitermaterialien bekannt sein. Die Autoren des Überblicksartikels bestreiten allerdings, dass sich diese Informationen mit Hilfe klassischer optischer Experimente gewinnen lassen. Vor allem die verbreitete Annahme, Exzitonen verhielten sich wie ein ideales Gas - würden also nicht miteinander in Wechselwirkung stehen - müsse zugunsten der Annahme eines miteinander wechselwirkenden Vielteilchensystems fallen gelassen werden.

Derzeitige Theorien und experimentelle Verfahren führen den Physikern zufolge zu Fehlinterpretationen der beobachteten Lichtemission: Man schreibe deren Charakteristika häufig allein dem Verhalten der Exzitonen zu, obwohl auch andere physikalische Phänomene wie das allmähliche Verschwinden des Polarisationszustands oder die Abstrahlung des Ladungsträgerplasmas eines Halbleiters zu vergleichbaren Spektren führen.

Terahertz-Spektroskopie ermöglicht direkte Beobachtungen

Darum müsse, so fordert das internationale Wissenschaftlerteam, insbesondere die noch junge Terahertz-Spektroskopie nun breitere Anwendung finden. Entsprechende Verfahren (an deren Entwicklung die Marburger Physiker Koch und Kira wesentlichen Anteil haben, siehe auch die Pressemitteilung der Philipps-Universität "Internationales Patent auf Terahertz-Laser und Verstärker angemeldet" unter http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/20060327terahertzpatent) arbeiten mit Licht, dessen Frequenz genau auf das Exziton abgestimmt ist. So gelingt es, Exzitonen gewissermaßen "direkt" zu beobachten; gleichzeitig wird verhindert, dass indirekte Verfahren zu möglichen Fehlschlüssen führen.

Weitere Informationen

Professor Dr. Stephan W. Koch: Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Physik / Wissenschaftl. Zentrum für Materialwissenschaften, Renthof 5, 35032 Marburg

Tel: (06421) 28 21336, E-Mail: s.w.koch@physik.uni-marburg.de

Review "Semiconductor excitons in new light": Nature Materials, 5. Juli 2006, doi:10.1038/nmat1658, http://www.nature.com/nmat/journal/v5/n7/pdf/nmat1658.pdf

Bereits zu Beginn des Jahres veröffentlichte Stephan Koch im Fachjournal Nature Physics einen Überblicksartikel über eines seiner Spezialgebiete: quantenoptische Effekte in atomaren Systemen (siehe http://www.uni-marburg.de/aktuelles/news/20060203quantenoptik).

Thilo Körkel | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-marburg.de

Weitere Berichte zu: Exziton Physik

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Blick ins Universum
15.01.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Extrem helle und schnelle Lichtemission
11.01.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Im Focus: Wie Metallstrukturen effektiv helfen, Knochen zu heilen

Forscher schaffen neue Generation von Knochenimplantaten

Wissenschaftler am Julius Wolff Institut, dem Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien und dem Centrum für Muskuloskeletale Chirurgie der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Fachtagung analytica conference 2018

15.01.2018 | Veranstaltungen

Tagung „Elektronikkühlung - Wärmemanagement“ vom 06. - 07.03.2018 in Essen

11.01.2018 | Veranstaltungen

Registrierung offen für Open Science Conference 2018 in Berlin

11.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ein „intelligentes Fieberthermometer“ für Mikrochips

16.01.2018 | Informationstechnologie

Diagnostik der Zukunft - Europäisches Projekt zur Erforschung seltener Krankheiten startet

16.01.2018 | Förderungen Preise

Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

16.01.2018 | Biowissenschaften Chemie