Heiße Elektronen in Kohlenstoff - Graphit verhält sich wie ein Halbleiter

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin haben herausgefunden, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter verhält. Die Ergebnisse sind von grundlegender Bedeutung für künftige elektronische Bauelemente aus Kohlenstoff, die hohe elektrische Spannungen oder hohe Frequenzen verarbeiten.

Nanomaterialien aus Kohlenstoff besitzen einzigartige Eigenschaften, die erste Anwendungen in neuen elektronischen Bauelementen und Sensoren gefunden haben. Grundlage dieser Materialien sind atomar dünne Schichten aus regelmäßig angeordneten Kohlenstoffatomen, zum Beispiel eine einzelne ebene Schicht in sogenanntem „Graphen“ oder aufgerollte Schichten in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Eigenschaften von Elektronen in solchen Strukturen sind verwandt mit denen in Graphitkristallen, die aus einem Stapel vieler Graphenschichten bestehen. Trotz intensiver Forschung ist das grundlegende Verhalten von Elektronen nicht vollständig verstanden und wird kontrovers diskutiert. 

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie in Berlin, Markus Breusing, Claus Ropers und Thomas Elsässer, haben jetzt das Verhalten von Elektronen in dünnen kristallinen Graphitschichten in Echtzeit untersucht. Wie sie in der Zeitschrift Physical Review Letters (Band 102, Ausgabe 08, 086809/1-4, 2009) berichten, zeichneten sie die Bewegungen der Elektronen mit einer bisher unerreichten Zeitauflösung von 10 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist das Millionstel einer Milliardstel Sekunde) auf. Dazu regten sie Elektronen mit ultrakurzen Laserimpulsen in Zustände hoher Energie an und beobachteten ihre Rückkehr zum Gleichgewicht. Einzelne Schritte dieses Ablaufs lassen sich zeitlich trennen und so die momentane Verteilung der Elektronen auf verschiedene Zustände bestimmen. Innerhalb von 30 Femtosekunden bilden die Elektronen ein heißes Gas mit einer extrem hohen Temperatur von 2500 °C aus, das im Kristall innerhalb von nur 500 Femtosekunden auf etwa 200 °C abkühlt. Die dabei freiwerdende Energie wird an das Kristallgitter übertragen. Danach kehren die Elektronen auf einer deutlich langsameren Zeitskala in ihre ursprünglichen Zustände zurück. Diese Untersuchungen zeigen erstmals eindeutig, dass sich Graphit auf ultrakurzen Zeitskalen wie ein Halbleiter, also etwa wie Silizium oder Galliumarsenid, und nicht wie ein Metall verhält.

Die beobachtete Dynamik der Elektronen hat einen starken Einfluss auf den elektrischen Transport, wie etwa Ströme, die bei hohen Frequenzen durch das Material fließen. Die Beobachtungen sind von grundlegender Bedeutung für künftige elektronische Bauelemente aus Kohlenstoff, die hohe elektrische Spannungen oder hohe Frequenzen verarbeiten.

Weitere Abbildungen:

Darstellung der Ladungsträgerdynamik in Graphit während der ersten 1000 Femtosekunden (1 Femtosekunde=1 fs=10-15 s). Die Kegelförmige Struktur zeigt die Energiezustände der Elektronen. Dabei ist die Energie des Elektrons als Funktion seines Impulses in den Richtungen kx und ky gezeigt (sog. elektronische Bandstruktur). Rot eingefärbte Zustände sind besetzt, grau gefärbte unbesetzt. Vor der Anregung durch den ultrakurzen Lichtimpuls sind die Zustände auf dem unteren Kegel vollständig besetzt. Der Lichtimpuls regt zum Zeitpunkt 0 fs einen Teil der Elektronen in den oberen Kegel an, wodurch ein Band auf dem unteren Kegel entvölkert (jetzt grau) und  ein Band auf dem oberen Kegel besetzt wird (jetzt rot). Die Elektronen verlassen diese direkt angeregten Zustände innerhalb von 30 fs und besetzen als heißes Gas mit einer Temperatur von ca. 2500 °C einen breiten Bereich von Zuständen (Graphik für 30 fs). Danach kühlen die Elektronen innerhalb von 200 fs auf 500 °C ab, indem sie ihre Energie an das Kristallgitter abgeben. Dies führt zu einer Konzentration von Elektronen im unteren Teil des oberen Kegels und zu einem ähnlich breiten Bereich unbesetzter Zustände im oberen Teil des unteren Kegels. Auf einer deutlich längeren Zeitskala kehren die Elektronen aus dem oberen in den unteren Kegel zurück, wodurch die ursprüngliche Verteilung vor der Anregung wiederhergestellt wird.

Rasterelektronenaufnahme eines teilweise freistehenden ca. 30nm dicken Graphitfilmes auf einem Metallgitterhalter. In den optischen Experimenten betrug der Durchmesser der Lichtbündel ungefähr 5 µm.

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