Kohlenstoff-Nanoröhrchen koppeln Licht und Materie

Mit ihren Forschungen zu Nanomaterialien für die Optoelektronik ist es Wissenschaftlern der Universität Heidelberg und der University of St Andrews (Schottland) gelungen, erstmals eine starke Wechselwirkung von Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen nachzuweisen. Diese starke Licht-Materie-Kopplung bildet eine wichtige Grundlage für die Realisierung neuer Lichtquellen, sogenannter elektrisch gepumpter Laser, die auf der Basis von organischen Halbleitern hergestellt werden sollen und unter anderem für Anwendungen in der Telekommunikation von Bedeutung wären. Die Forschungsergebnisse aus der Zusammenarbeit von Prof. Dr. Jana Zaumseil (Heidelberg) und Prof. Dr. Malte Gather (St Andrews) wurden in „Nature Communications“ veröffentlicht.

Organische Halbleiter auf der Basis von Kohlenstoff sind eine kosten- und energieeffiziente Alternative zu konventionellen anorganischen Halbleitern wie Silizium. So werden Leuchtdioden, die aus diesen Materialien bestehen, bereits flächendeckend in Displays von Smartphones eingesetzt. Weitere Bauelemente für Anwendungen in der Beleuchtungstechnik, der Datenübertragung und der Photovoltaik befinden sich im Prototyp-Status. Ein wichtiges Bauteil der Optoelektronik konnte bislang jedoch nicht mit organischen Materialien realisiert werden – der elektrisch gepumpte Laser. Dies hat seinen Grund vor allem darin, dass organische Halbleiter nur eingeschränkt in der Lage sind, Ladungen – das heißt Strom – zu transportieren.

Wie Prof. Zaumseil erläutert, ist in den vergangenen Jahren die laserartige Lichtemission von organischen Halbleitern auf der Grundlage der Licht-Materie-Kopplung zunehmend in den Mittelpunkt der Forschung gerückt. Werden Photonen (Licht) und Exzitonen (Materie) mit ausreichend großer Wechselwirkung zusammengebracht, koppeln diese so stark, dass sogenannte Exziton-Polaritonen entstehen. Es handelt sich hier um Quasiteilchen, die auch Licht abgeben. Unter bestimmten Bedingungen kann diese Emission die Eigenschaften von Laserlicht annehmen. Bei ausreichend gutem Ladungstransport würden Exziton-Polaritonen die Herstellung eines elektrisch gepumpten Kohlenstoff-basierten Lasers in greifbare Nähe rücken lassen, so Jana Zaumseil, die am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Heidelberg die Forschungsgruppe „Nanomaterials for Optoelectronics“ leitet.

Im Rahmen der Zusammenarbeit von Prof. Zaumseil und Prof. Gather konnte nun erstmals die Bildung von Exziton-Polaritonen in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen nachgewiesen werden. Anders als andere organische Halbleiter transportieren diese mikroskopisch kleinen, röhrenförmigen Gebilde aus Kohlenstoff positive und negative Ladungen ausgesprochen gut. Sie zeigen außerdem außergewöhnliche optische Eigenschaften, wie Doktorand Arko Graf, der Erstautor der Studie ist, erläutert. Die Wissenschaftler in Heidelberg und St Andrews sehen in ihren Forschungsergebnissen einen wichtigen Schritt zur Realisierung elektrisch gepumpter Laser auf der Basis von organischen Halbleitern. „Neben der potentiellen Erzeugung von Laserlicht können wir bereits jetzt mit Hilfe der Exziton-Polaritonen das von den Kohlenstoff-Nanoröhrchen ausgestrahlte Licht im nahen Infrarot über große Wellenlängenbereiche verschieben“, betont Prof. Zaumseil.