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Abstimmbarer Halbleiter aus nanokristallinem Kohlenstoff

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Einer internationalen Forschergruppe ist es gelungen, aus Kohlenstoff eine Halbleiterstruktur herzustellen, bei der sich der Energieabstand zwischen dem Leitungs- und Valenzband auf einfache Weise durch das Anlegen einer äußeren Spannung variieren lässt. Wie das Team um Antonio Castro Neto von der Boston University in den Physical Review Letters (Abstract) berichtet, tritt dieser Effekt in einer Doppellage von Graphen auf. Graphen ist eine ebene, nur eine Atomlage dünne Kristallstruktur mit sechseckigen Zellen aus Kohlenstoff – sozusagen das zweidimensionale Gegenstück zum dreidimensionalen Graphit.

Normalerweise besitzt Graphen gar keine Bandlücke; der Energieabstand zwischen dem Leitungs- und Valenzband ist Null, und die äußeren Elektronen der Kohlenstoffatome können ohne zusätzlichen Energieaufwand aus dem gebundenen in den freibeweglichen Zustand übergehen, in welchem sie das Fließen eines elektrischen Stromes ermöglichen. Die Gruppe untersuchte jedoch zwei Lagen von Graphen übereinander und legte senkrecht zur Doppelschicht Spannungen zwischen Null und 100 Volt an; dabei beobachtete sie, dass das Valenzband und das Leitungsband von Null bis etwa 150 Millielektronenvolt energetisch getrennt werden. Das heißt, dass Elektronen nur noch dann ins Leitungsband wechseln können, wenn ihre Energie größer als der Bandabstand ist und sie die zusätzlich benötigte Energie beispielsweise durch die Wechselwirkung mit einem Photon erworben haben.

Auf dem umgekehrten Fall, dass beim Sprung eines Elektrons vom höhergelegenen Leitungsband in das tiefergelegene Valenzband die Differenzenergie in Gestalt eines Photons frei wird, beruht in der Optoelektronik die Lichtemission von LEDs und Laserdioden. Deren Emissionswellenlänge wird unmittelbar von dem Bandabstand bestimmt, und dieser ließ sich bisher ausschließlich über die chemische Zusammensetzung des Halbleitermaterials, die Kristallstruktur, oder eine Kombination von beiden beeinflussen. Sobald die Mischkristallschichten auf dem Wafer aufgewachsen sind, ist die Bandlücke jedoch festgelegt. Die elektrische Steuerung des Bandabstandes würde es dagegen erlauben, optoelektronische Sendedioden variabel auf bestimmte Emissionswellenlängen einzustellen. (Richard Sietmann) / (jk)