SFB 951/3: Hybrid Inorganic/Organic Systems for Opto-Electronics (HIOS)

Die Fähigkeit Heterostrukturen aus verschiedenen Materialien präzise zu kontrollieren, hat die elektronischen und optischen Technologien der letzten Jahrzehnte revolutioniert. Um den wachsenden Herausforderungen dieser Schlüsseltechnologien zu begegnen, sind jedoch radikal neue Ansätze erforderlich. Dazu hat der SFB ein bahnbrechendes und umfassendes Forschungsprogramm ins Leben gerufen, welches drei sehr unterschiedliche Materialklassen in anorganisch/organischen Hybridsystemen (hybrid inorganic/organic systems – HIOS) mit dem Ziel kombiniert, verbesserte und neuartige opto-elektronische Funktionalitäten zu realisieren. Anorganische Halbleiter zeichnen sich durch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus, konjugierte organische Moleküle weisen eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung auf und Metall-Nanostrukturen können Licht auf der Nanoskala lokalisieren und leiten. Dementsprechend hat der SFB die grundlegenden chemischen, elektronischen und photonischen Wechselwirkungen in HIOS untersucht und umfassend verstanden. Darüber hinaus wurden neuartige hybridisierte Quantenzustände und gekoppelte Anregungen an den HIOS Grenzflächen entdeckt. Gleichzeitig konnten wir das grundsätzliche Limit der bislang eingesetzten modernen anorganischen Volumenhalbleiter identifizieren. Aufgrund der unvermeidlichen Oberflächenzustände und der Oberflächen-Bandverbiegung entsteht eine passive Zwischenschicht, die die Funktionalität beträchtlich einschränkt. In der kommenden Förderperiode werden wir das äußerst hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis sowie die starke Licht-Materie-Wechselwirkung von atomar dünnen Monolagen von Übergangsmetalldichalkogeniden ausnutzen. Diese haben sich im Laufe der zweiten Förderperiode als ideale anorganische Halbleiterkomponente für die Ziele des SFB erwiesen. Da wir nun HIOS herstellen können, die nur aus der aktiven Region selbst bestehen, eröffnen sich neue Möglichkeiten, die vorher nicht realistisch vorstellbar gewesen wären. Wir werden nun die grundlegenden Wechselwirkungen und opto-elektronischen Eigenschaften dieser Heterostrukturen bestimmen, um eine maximale Kopplung und Funktionalität zu erzielen. Da die vertikale Ausdehnung dieser neuartigen HIOS nur im Bereich eines Nanometers liegt, können wir letztendlich das volle Potenzial von Metall-Nanostrukturen zur plasmonischen Verstärkung der Lichtabsorption und -emission um mehrere Größenordnungen umsetzen. In Kombination mit neuen Generationen unserer einzigartigen molekularen Photoschalter ermöglicht das vom SFB 951 erlangte umfassende Know-how die Entwicklung von HIOS, die den Weg für überragende nanoskalige Bauelemente ebnen. Die Funktionalitäten der avisierten ultra-kompakten Bauelemente umfassen Lichtemission und -detektion mit höchster Modulationsfrequenz, vielfältig kontrollierbare Quantenemission, lokale Chiralitätsmessung, elektronische und optische Multifunktionalität. Sogar die Emulation von Synapsen und Neuronen ist nun in Reichweite.