Übergangsmetall-Dichalkogenide im Nicht-Gleichgewicht

Eine wichtige Triebkraft bei der Suche nach neuen funktionalen Materialien stellt die wachsende Nachfrage nach energieeffizienten elektronischen Bauelementen dar. Insbesondere die Entwicklung integrierter Schaltkreise und die kontinuierliche Miniaturisierung siliziumbasierter Transistoren stellt die Halbleiterindustrie vor große Herausforderungen. Die Entdeckung von Graphen mit seiner zweidimensionalen Struktur und bemerkenswerten elektronischen Eigenschaften hat große Hoffnungen geweckt. Aufgrund der fehlenden Bandlücke ist die Verwendung von Graphen in digitalen Transistoren jedoch begrenzt. Eine Alternative stellen Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) dar, die aus einem Übergangsmetall wie Tantal oder Molybdän und einem Chalkogen- Atom wie Schwefel oder Selen bestehen. Aus halbleitenden TMD Monolagen können ultradünne Feldeffekttransistoren für optoelektronischen Anwendungen wie optische Schalter, Photodetektoren, Lichtemitter und Dünnschichtsolarzellen gefertigt werden. Aufgrund ihrer mechanischen Flexibilität sind TMDs vielversprechende Kandidaten für künftige flexible Elektronik wie flexible Photovoltaik Module, biegsame Displays für Mobiltelefone und tragbare Gesundheitselektronik. TMDs sind nicht nur technologisch vielversprechende Materialien, sondern auch von großem Interesse für die physikalische Grundlagenforschung. Dies gilt insbesondere für stark korrelierte TMDs wie TaSe2 und NbSe2, in denen die Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen eine wichtige Rolle spielt.Aufgrund der Wechselwirkung und der kollektiven Zusammenwirkung unzähliger Elektronen, können in diesen Materialien eine Vielzahl neuer Phasen entstehen, darunter Mott-Isolatoren, Ladungsdichte-Wellen, Supraleiter und Spin-Flüssigkeiten. Insbesondere Monolagen beherbergen mitunter Phasen, die in den entsprechenden 3D Materialien nicht vorhanden sind. Die Untersuchung dieser so genannten Quantenphasen erfordert ausgefeilte theoretische und rechnerische Verfahren wie die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (TDDFT), die dynamische Molekularfeldtheorie (DMFT) oder die ab-initio dynamische Vertex Näherung (ADGA). In diesem Projekt werde ich diese Methoden weiterentwickeln und Synergien nutzen, um ein breites Spektrum an Phänomenen auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen abzudecken. Meine Untersuchungen werden sich auch auf die Nicht-Gleichgewichts-Physik von TMDs erstrecken, die z. B. relevant wird, wenn ein intensiver Laserpuls auf ein Material trifft. Indem ich die Reaktion der Elektronen auf einen solch intensiven Lichtpuls untersuche, lässt sich mehr über das Material selbst und wie es auf äußere Anregungen reagiert, erfahren. Dies ist z. B. für die Entwicklung effizienter und schnell schaltender Transistoren von Bedeutung.