Schwarzer Phosphor ist ein einzigartiges optoelektronisches Material, das eine starke, durchstimmbare Emission vom mittleren Infrarot bis zum Sichtbaren besitzt. Ein besseres Verständnis der Physik dieses Systems ist aufgrund des technischen Anwendungsbezugs von großem Interesse. Die Gruppe von Prof. Javey aus Berkley hat die Photolumineszenz-Quantenausbeute in Abhängigkeit von der Schichtdicke in schwarzem Phosphor untersucht – mit überraschenden Ergebnissen [1]. Mit abnehmender Dicke bis etwa 4 nm wurde zunächst ein Rückgang der Photolumineszenz aufgrund einer erhöhten Rekombination der Ladungsträger an der Oberfläche beobachtet. Dieses Ergebnis war so weit erwartet. Unerwartet war jedoch ein starker Anstieg der Intensität bei weiterer Reduzierung der Schichtdicke.  Der Durchschnittswert der Quantenausbeute lag bei etwa 30% für Monolagen. Dieses Verhalten resultiert aus dem Übergang von freien Trägern zu Exitonen in dünnen Schichten von schwarzem Phosphor und unterscheidet sich vom Verhalten herkömmlicher Halbleiter, bei denen die Photolumineszenz-Quantenausbeute mit abnehmender Dicke kontinuierlich abnimmt. Dazu gab es noch einen weiteren erstaunlichen Befund. Die Rekombinationsgeschwindigkeit der Ladungsträger an der Oberfläche von schwarzem Phosphor ist zwei Größenordnungen niedriger als der niedrigste in der Literatur berichtete Wert für übliche Halbleiter mit oder ohne Passivierung. Dieses Ergebnis ist spannend für photonische Anwendungen im Allgemeinen und photonische integrierte Schaltkreise im Speziellen. Über ein Materialsystem aus schwarzem Phosphor lassen sich hier deutlich höhere Quantenausbeuten erzielen als mit den üblichen Halbleitern. 

Die Photolumineszenz-Messungen wurden mit einer Cryostation s200 von Montana Instruments durchgeführt. Die closed-cycle Kryostate von MI bieten eine sehr hohe numerische Apertur bei minimalem Vibrationslevel in der Probenkammer.

[1] Higashitarumizu, N., Uddin, S.Z., Weinberg, D. et al. Anomalous thickness dependence of photoluminescence quantum yield in black phosphorous. Nat. Nanotechnol. 18, 507–513 (2023).

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