03 Sep. Energietransport in ultradünnen Materialien
Wie Energie in ultradünnen Materialien transportiert wird, ist eine wichtige Frage für die Entwicklung neuer photonischer Bauelemente. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun einen bislang unbekannten Transportmechanismus in einer Hybridstruktur aus einem Perowskit und hexagonalem Bornitrid (hBN) beobachtet. Dabei spielen atomare Defekte eine entscheidende Rolle.
Atomare Defekte als Transportweg
In dem untersuchten System nimmt zunächst der Perowskit Energie auf. Sie liegt dort in Form angeregter Zustände, sogenannter Exzitonen, vor. Nach den Ergebnissen der Forschenden geht die Energie von diesen Zuständen auf atomare Defekte im Bornitrid über. Die Defekte können die Energie aufnehmen und innerhalb eines Netzwerks weitergeben.
Noch in einer Entfernung von bis zu 150 µm vom ursprünglichen Anregungsort konnte das Team ein Signal nachweisen. Die ermittelte Energietransportlänge lag bei rund 142 µm. Nach Angaben der Forschenden lassen sich diese Distanzen weder allein durch die Bewegung der Exzitonen noch durch optische Wellenleitung erklären. Sie führen den beobachteten Transport vor allem auf Wechselwirkungen zwischen den Defekten sowie auf die wiederholte Absorption und Emission von Licht innerhalb des Defektnetzwerks zurück.
Optische Faser verfolgt das Lichtsignal
Für die Untersuchungen setzte das Team eine an der CAU entwickelte Kathodolumineszenz-Messmethode ein. Dabei regten die Forschenden das Material lokal mit einem Elektronenstrahl an und erfassten das entstehende Licht mit einer optischen Faser. Während der Anregungsort unverändert blieb, wurde die Faser schrittweise davon entfernt. So ließ sich nachweisen, dass das Lichtsignal auch in großer Entfernung vom Anregungsort vorhanden war.
Professorin Nahid Talebi leitet das Kieler Forschungsteam, das den neuen Mechanismus des Energietransports untersucht hat. Bild: Julia Siekmann / Uni Kiel
Potenzial für Quantenphotonik
Für mögliche Anwendungen interessant ist insbesondere, dass der Effekt bei Raumtemperatur auftritt. Das Team sieht darin Potenzial für Bauelemente, in denen Energie oder Informationen über optische Anregungen transportiert werden. Als mögliche Anwendungen nennen die Forschenden unter anderem Quantentransducer zur Übertragung von Quanteninformationen zwischen verschiedenen Systemen sowie optoelektronische Verbindungen für die schnelle Datenübertragung.
In weiteren Untersuchungen wollen die Forschenden klären, wie sich der Energieaustausch in dem Material gezielt steuern lässt. Die Ergebnisse sollen damit eine Grundlage für die Weiterentwicklung hybrider Quantenmaterialien und darauf basierender photonischer Bauelemente schaffen.
Originalpublikation:
[S. Darbari, P. Bittorf et al.: Exciton Energy Routing via Defect Networks in hBN/2D Perovskite Hybrids; ACS Nano 20 (31), 2026, 21739–21751; DOI: 10.1021/acsnano.6c03445]
Link zur Arbeitsgruppe Nanooptics
Quelle: www.uni-kiel.de
Bild: Nahid Talebi / Uni Kiel
Bildunterschrift: Darstellung der Messmethode: Ein Elektronenstrahl regt das Material an, während eine optische Faser das entstehende Licht an verschiedenen Stellen aufnimmt.