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Hervorgerufen werden die Verformungen durch sogenannte Elektron-Loch-Paare. Das sind frei gewordene Elektronen und deren im Atomgitter zurückgebliebene „Lücken“. Diese entgegengesetzt geladenen Zweiergespanne spielen beispielsweise in der Optoelektronik sowie bei einer besonderen Art von Solarzellen eine wichtige Rolle: den Perowskiten.
Wenn Licht auf Solarzellen treffen, entstehen sogenannte Elektron-Loch-Paare: Die Elektronen werden angeregt und können sich zum Teil im Material frei bewegen – also Strom erzeugen. Die Elektronen hinterlassen im Halbleitermaterial „positive Lücken“, sogenannte Löcher. Auch sie können sich durch das Material bewegen. Elektronen wie Löcher tragen eine elektrische Ladung. Auf ihrem Weg durch das Material verformen sie deswegen das sie umgebende Atomgitter ein wenig.
Diesen sehr schwachen Effekt konnte ein internationales Forschungsteam am European XFEL nun erstmals beobachten. Mit Hilfe extrem rascher Blitze aus dem Röntgenlaser von European XFEL gelang es ihnen, diese kaum merkliche Veränderung sichtbar zu machen. Nach Ansicht der Forschenden könnte das ein wichtiger Schritt für die Entwicklung neuer Materialien etwa für Solarzellen oder Leuchtdioden bedeuten.
Der von den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern untersuchte Halbleiterkristall aus Cäsium, Blei und Brom (CsPbBr3) war nur wenige Millionstel Millimeter groß. Er bildete einen sogenannten Quantenpunkt – ein winziges Objekt, dessen Eigenschaften nicht mehr klassisch zu beschreiben sind, sondern nur noch mit Hilfe der Quantenphysik.
Trifft Licht auf diesen Quantenpunkt, entstehen diese Elektron-Loch-Paare. Aufgrund ihrer elektrischen Ladung ziehen sowohl das Elektron und das Loch an den Atomen im Kristall – so ähnlich, als würden zwei Menschen an einem Netz zerren und es dabei verformen. Das Teilchenpaar erzeugt auf diese Weise eine Art „Delle“ im Kristall. In der Physik wird dieser Zustand Exziton-Polaron genannt.
Die Gitterverformung betrifft nur wenige Atome – aber sie ist entscheidend für die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials. Dabei gilt: Je besser man die Verformung versteht, desto gezielt kann man versuchen, bessere Materialien zu entwickeln, etwa für effizientere Displays oder leistungsfähigere Sensoren.
-- Mit Röntgenblitzen sichtbar gemacht --
Damit die Gitterverformung überhaupt zu erkennen sind, braucht es eine besonders präzise Methode. Die Forschenden nutzten den European XFEL in Schenefeld bei Hamburg – den größten Röntgenlaser der Welt. Er sendet extrem kurze und intensive Röntgenblitze aus. Er ermöglicht die Aufnahme von Bildern innerhalb von Femtosekunden – also innerhalb einer Billiardstel Sekunde.
„Das ist, als würde man mit einer Hochgeschwindigkeitskamera die Bewegung der Atome beobachten“, sagt Johan Bielecki, Wissenschaftler an der Experimentierstation „Single Particles Biomolecules and Clusters/Serial Femtosecond Crystallography“ (SPB/SFX) von European XFEL, an der das Experiment durchgeführt wurde.
-- Wegweiser für neue Technik --
Die direkte Beobachtung dieses Effekts ist eine wissenschaftliche Meisterleistung. Sie hilft zu verstehen, wie sich Licht und Materie auf winzigster Ebene beeinflussen. Das ist entscheidend für viele Zukunftstechnologien: von hochempfindlichen Lichtdetektoren über neue Displays bis hin zu Bauteilen für Quantencomputer.
„Was wir hier zeigen, ist ein erster Schritt, um solche Effekte gezielt zu kontrollieren“, sagt Zhou Shen vom Max‑Planck‑Institut für Struktur und Dynamik der Materie und Erstautor der Studie: „Damit könnten wir in Zukunft noch leistungsfähigere und energiesparendere optoelektronische Bauteile entwickeln.“
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ACS Nano veröffentlicht.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06716
Johan Bielecki an der Experimentierstation „Single Particles Biomolecules and Clusters/Serial Femtos ...
Copyright: © European XFEL
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Chemistry, Economics / business administration, Energy, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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