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11.04.2016

Optische Eigenschaften von Graphenbändern experimentell nachgewiesen


Nach der optischen Anregung der Graphenbänder, sogenannter graphene nanoribbons (GNRs), setzt sich eine Reihe von ultraschnellen Prozessen in Gang. Das Forscherteam aus Deutschland, Italien und Österreich hat diese nun gemessen, um die Energie- und Relaxationsdynamiken zu entschlüsseln. Denn GNRs können Licht generieren, detektieren und kontrollieren. Zudem lässt sich mithilfe von GNRs Licht in Energie umwandeln - eine vielversprechende Eigenschaft für Photovoltaikanlagen. Bestehend aus eindimensionalen Nanostrukturen sind die schmalen Graphenstreifen typischerweise weniger als fünf Nanometer breit.

Graphen selbst ist wie ein Wabengitter angeordnet und setzt sich aus einer einzigen atomaren Ebene Graphit zusammen. Akimitsu Narita, Projektleiter am Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P), erklärt den Ausgangspunkt der Forschung: "Die Basis unseres Projekts bilden atomar perfekte GNRs. Um diese herzustellen, griffen wir auf die Bottom-up-Methode zur Graphensynthese zurück, die 2013 am MPI-P unter der Leitung von Prof. Dr. Klaus Müllen entwickelt wurde. Auf diese Weise erreichen wir perfekte GNR-Strukturen für unsere Untersuchungen, welche sich auch für zukünftige Anwendungsgebiete eignen".

GNRs für die Technologien der Zukunft

Aufgrund ihrer eindimensionalen Struktur zeigen GNRs eine starke Koppelung zwischen Licht und gebundenen Zuständen, wie Exzitonen und Biexzitonen, wobei ein Exziton durch die Bindung zwischen einem Elektron und einem Loch entsteht. In diesem gebundenen Zustand kann es Energie sowohl speichern als auch abgeben. Zudem können Exzitonen miteinander weitere Bindungen in Form von Biexzitonen eingehen, die der zusätzlichen Energiespeicherung dienen. GNRs initiieren somit eine Reihe von elektronischen Mechanismen, nachdem sie durch einen Laserpuls angeregt worden sind. Da solche Prozesse innerhalb eines sehr kurzen Zeitfensters stattfinden, lassen sie sich nur mithilfe von optischen Methoden, wie der zeitaufgelösten Spektroskopie, messen. Diese untersucht die optischen Eigenschaften des Materials anhand von ultrakurzen Laserpulsen.

Mit der Technik erreichten die Wissenschaftler eine hohe zeitliche Auflösung und konnten Abläufe im Bereich zwischen Femto- und Picosekunden beobachten, das heißt in einer Zeitspanne zwischen einem billiardstel und einem billionstel Bruchstück einer Sekunde. Die Wissenschaftler fanden Exziton-Exziton-Annihilationen immer dort, wo ein Exziton ein höheres Energieniveau angenommen hat, während sich das zweite im Grundzustand neu angeordnet hat. Zudem konnten die Forscher eine stimulierte Emission nachweisen, die auf stark gebundene Biexzitone zurückgeht und GNRs perfekt für Anwendungen in Lasern und Photodetektoren macht. Die Anregungs- und Relaxationsdynamiken dienen dabei als Richtwerte für zukünftige Verarbeitungsmöglichkeiten von GNRs in photonischen und optoelektronischen Geräten. Um den steigenden Anforderungen in der Telekommunikation gerecht zu werden, lassen sich die Forschungsergebnisse zum Beispiel in der Entwicklung ultraschneller optischer Schalter umsetzen.

Über das Projekt:

Ziel des gemeinsamen Projekts ist die Erforschung von graphenbasierten Nanomaterialen im Hinblick auf Anwendungen für optoelektronische und Telekommunikationsgeräte. Daran arbeiten das Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, Deutschland, das Dipartimento di Fisica der Universität Mailand, Italien, das Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche der Universität Modena und Reggio Emilia, Italien, das Consiglio Nazionale delle Ricerche (IFN und NANO), Italien, und das Institut für Physik der Universität Graz, Österreich. Das Projekt wird unter anderem finanziert durch das Schwerpunktprogramm "Graphene" (SPP 1459) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und durch das Projekt "Molecular Quantum Spintronics" (MoQuaS) der Europäischen Union.

—> Originalpublikation

Quelle: Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P)




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