Für Solarzellen und unzählige andere Technologien sind Halbeiter unverzichtbar. Entscheidend dafür ist ihre Fähigkeit, bei Anregung durch Licht oder andere Energien ihre elektronische Struktur zu verändern: Elektronen im Halbleitermaterial verlassen ihre ursprüngliche Position und erzeugen positiv geladenen Löcher. Loch und Elektron bilden daraufhin Paare, die sich wie ein neues, eigenständiges Teilchen verhalten. Diese durch Anregung gebildeten Quasiteilchen – sogenannte Exzitonen - spielen eine Schlüsselrolle für die Stromerzeugung durch Photovoltaik und das Verhalten optoelektronischer Materialien.
Wellenfunktion: Entscheidend, aber schwer fassbar
Doch ein entscheidendes Merkmal der Exzitonen blieb bisher verborgen: ihre Wellenfunktion. Dieser quantenphysikalische Zustand beschreibt unter anderem die Ausdehnung, Wellenphase und interne Struktur dieser Quasiteilchen und prägt ihr Verhalten: „Die Wellenfunktion der Exitzonen bestimmt ihre Kopplung, Loslösung und Wanderung im Molekülgitter und spielt somit eine zentrale Rolle“, erklären Marcel Theilen von der Universität Marburg und seine Kollegen. Doch diese Wellenfunktion zu messen oder abzubilden, war bislang unmöglich.
Das hat sich nun geändert: „Es ist uns erstmals gelungen, die räumliche Ausdehnung und zeitliche Entwicklung der Wellenfunktion eines Exzitons in den ersten Augenblicken seiner Existenz experimentell zu rekonstruieren“, berichtet Seniorautor Peter Puschnig von der Universität Graz. Die3 von ihnen entwickelte Methode erlaubt es damit zum ersten Mal, den inneren Zustand dieser so wichtigen Quasiteilchen zu untersuchen.
Bei der zeitaufgelösten Photoemission Orbital Tomography erzeugt ein Pump-Laserpuls (blau) ein gebundenes Elektron-Loch-Paar (Exziton) im organischen Halbleitermaterial Alpha-Sexithiophen. Der nachfolgende UV-Laserpuls schießt ein Elektron aus dem Exziton, dessen Energie und Richtung gemessen wird. — © Andreas Windischbacher/ Universität Graz
So funktionierte die Messung
Ausgangsmaterial für diesen Durchbruch war Alpha-Sexithiophen (6T), ein in Dünnschicht-Solarzellen oft verwendeter und gut untersuchter organischer Halbleiter. „Bei den Proben handelt es sich um hauchdünne, geordnete Filme aus dem stäbchenförmigen Molekül 6T, die auf eine speziell präparierte Kupferoberfläche aufgebracht wurden“, erklärt Co-Autorin Monja Stettner vom Forschungszentrum Jülich. „Die präzise Ausrichtung der Moleküle und ihre Entkopplung vom Substrat sind wichtig, um das Exziton lange genug zu erhalten.“
Im Experiment regten die Physiker diesen Halbleiter zunächst mit Licht an und erzeugten so die Exzitonen. Dann beschossen sie die Probe in verschiedenen Zeitabständen mit einem starken Laserpuls. Dieser schlägt die Elektronen aus den Quasiteilchen heraus. „Misst man nun Energie und Richtung der Elektronen, lässt sich mit theoretischen Modellen auf ihren quantenmechanischen Zustand schließen“, erklärt Puschnig. Diese Messmethode wird als zeitaufgelöste Photoemissions-Orbitaltomografie (trPOT) bezeichnet.
Exzitonen verändern ihre Ausdehnung
Durch diese Messungen gelang es dem Team, erstmals Momentaufnahmen des quantenphysikalischen Exziton-Zustands zu erzeugen. Zusammengefügt und mit einem Modell kombiniert entstand eine Art Video, das die räumliche und zeitliche Entwicklung des Exzitons verrät.
„Mit unserem Modell lässt sich aus gemessenen Photoelektronenbildern direkt auf die räumliche Form und die innere quantenmechanische Phase der Exziton-Wellenfunktion schließen“, erklärt Theilens Kollege Siegfried Kaidisch.
Konkret zeigte sich unter anderem: Die Paare aus Elektron und Loch sind anfangs in größerem Abstand verbunden, rücken dann aber in Sekundenbruchteilen näher zusammen. „Die Messungen zeigen, dass das Elektron-Loch-Paar bei seiner Entstehung über etwa drei Moleküle ausgedehnt ist“, berichtet Kaidisch. „Bereits innerhalb der ersten rund 400 Femtosekunden – Billiardstelsekunden – schrumpft ihr Radius dann um rund 25 Prozent.“
Neue Einblicke in Halbleiter
Nach Ansicht der Physiker eröffnet ihre Methode damit einen Weg, die innere Struktur der Exzitonen zu messen und zu erforschen. „Diese Ergebnisse etablieren trPOT als einen allgemeinen und experimentell zugänglichen Ansatz zur Auflösung der Exziton-Wellenfunktionen in einer breiten Klasse molekularer und niedrigdimensionaler Materialien“, schreiben Theilen und seine Kollegen. Dies könnte dabei helfen, Materialien für organische Solarzellen und andere photoelektrische Anwendungen zu optimieren.
Quelle: Marcel Theilen (Universität Marburg) et al., Physical Review X, 2026; doi: 10.1103/3zmg-276c
