Verdrehte Kristalle ermöglichen hocheffiziente Erzeugung von UV-Licht

24. März 2026

Foto: Science

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) und ein internationales Team unter der Leitung der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) haben entdeckt, dass das einfache Verdrehen zweier Kristallstücke aus hexagonalem Bornitrid (hBN) gegeneinander Quantentöpfe erzeugt, die tiefes ultraviolettes Licht mehr als zehnmal effizienter emittieren als die beste derzeit verfügbare Halbleitertechnologie. First-Principles-Berechnungen von MPSD-Theoretikern in der Abteilung von CUI-Mitglied Angel Rubio bestätigten den zugrunde liegenden Mechanismus. Die Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht.

Moiré-Gitter – die periodischen Muster, die entstehen, wenn zwei regelmäßige Gitter mit einer leichten Verdrehung übereinandergeschichtet werden – haben sich zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Gestaltung von Quantenzuständen in atomar dünnen Materialien entwickelt. Bislang wurde dieses Konzept jedoch hauptsächlich in zweidimensionalen Schichten untersucht, die nur wenige Atome dick waren. Diese neue Studie, die von Forschern der POSTECH gemeinsam mit Theoretikern des MPSD und Kollegen des IBS, des RIKEN, des KAIST, des National Institute for Materials Science in Tsukuba, des Tsientang Institute for Advanced Study in Hangzhou, des Flatiron Institute in New York und anderer Institutionen durchgeführt wurde, erweitert die Moiré-Physik nun erstmals auf Volumenkristalle.

Das Team zeigte, dass bereits eine einzige verdrehte Grenzfläche zwischen zwei dicken Platten aus hexagonalem Bornitrid Ladungsträger in Quantentöpfen von nur einer atomar dünnen Schicht einschließen kann, die in einen dreidimensionalen Kristall eingebettet sind. Mithilfe von Femtosekunden-Laserspektroskopie im tiefen Ultraviolettbereich demonstrierten die Forscher, dass die periodische Änderung der Atomstapelung über die verdrehte Grenzfläche hinweg starke Moiré-Potenziale erzeugt, wodurch die lokale optische Bandlücke um bis zu 300 Millielektronenvolt verringert wird. Die resultierenden Quantentöpfe fangen Elektron-Loch-Paare ein, die als Exzitonen bekannt sind. Diese rekombinieren mithilfe von Gitterschwingungen effizient und emittieren intensives Licht im fernen UV-C-Bereich zwischen 215 und 240 Nanometern – was Photonenenergien von 5,2 bis 5,8 Elektronenvolt entspricht (Ultraviolettbereich).

Moiré-Quantenköpfe ermöglichen eine effiziente Emission von Deep-UV-Licht

Ein wesentlicher Vorteil des Ansatzes besteht darin, dass der Verdrehungswinkel als direkte Stellschraube für die Lichtemission dient. Die Forscher stellten Proben mit Verdrehungswinkeln von weniger als 0,01° bis zu mehr als 13° her und maßen die externe Quanteneffizienz des emittierten Lichts. Bei optimalen Winkeln nahe 3° erreichten die sogenannten H-Typ-Moiré-Quantentöpfe externe Quanteneffizienzen von etwa 0,4 – rund zwanzigmal höher als vergleichbare Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Bauelemente, die den aktuellen Standard für Deep-UV-Strahler darstellen.

Die experimentellen Ergebnisse werden durch umfangreiche First-Principles-Berechnungen untermauert, die am MPSD durchgeführt wurden. Unter Verwendung modernster GW-Bethe-Salpeter-Gleichungsmethoden (GW-BSE) modellierten die Theoretiker die elektronische Bandstruktur und die Exzitoneneigenschaften für alle relevanten Stapelkonfigurationen an der verdrehten Grenzfläche. Ihre Berechnungen bestätigen, dass das Moiré-Muster Domänen mit deutlich unterschiedlichen Bandlücken erzeugt und dass Exzitonen in den Domänen mit der kleinsten Bandlücke stark lokalisiert werden – genau dort, wo die intensive Lumineszenz ihren Ursprung hat.

Durch Verdrehung gesteuerte Grenzflächen ebnen den Weg für UV-C-Mechanismen der nächsten Generation

„Unsere Studien zeigen, dass eine einfache Verdrehung an der Grenzfläche zweier hBN-Kristalle die Exzitonlandschaft grundlegend umgestaltet“, sagt Jonghwan Kim, leitender Forscher an der POSTECH. „Das Moiré-Potenzial erzeugt nanoskalige Fallen, in denen Exzitonen eingeschlossen sind und sehr effizient rekombinieren. Bemerkenswert ist, dass dieser Mechanismus in Volumenkristallen funktioniert, nicht nur in atomar dünnen Schichten – was die Tür zu einer viel breiteren Klasse von Materialien und Bauelementarchitekturen öffnet.“

Über die optische Anregung hinaus baute das Team auch Proof-of-Concept-Bauelemente, in denen elektrischer Strom, der durch Graphenelektroden eingespeist wurde, eine tiefultraviolette Elektrolumineszenz aus den verdrehten hBN-Bereichen erzeugte. Während der äußere Wirkungsgrad dieser ersten Prototypen noch durch das Trägerinjektionsschema begrenzt ist, zeigt das Ergebnis, dass Moiré-Quantentöpfe in Volumenkristallen prinzipiell elektrisch angesteuert werden können – ein wesentlicher Schritt hin zu praktischen UV-C-Lichtquellen. Tiefes ultraviolettes Licht im UV-C-Bereich findet wichtige Anwendungen in der Desinfektion, Sterilisation und in photochemischen Prozessen. Aktuelle UV-C-Strahler auf AlGaN-Basis leiden unter geringen Wirkungsgraden, insbesondere bei den kürzesten Wellenlängen. Das neue Moiré-Quantentopf-Konzept könnte helfen, diesen seit langem bestehenden Engpass zu überwinden.

„Diese Arbeit zeigt, dass die Moiré-Technik an Grenzflächen in dreidimensionalen van-der-Waals-Kristallen optoelektronische Funktionen erzeugen kann, die herkömmliche Halbleiter-Quantentöpfe übertreffen“, sagt Angel Rubio, Leiter der Theorieabteilung am MPSD. „Wir gehen davon aus, dass dieses Prinzip auf andere Schichtmaterialien übertragbar ist und potenziell abstimmbare, effiziente Lichtquellen über einen breiten Spektralbereich für optoelektronische Anwendungen und mehr ermöglicht.“ Text: MPSD, ed. 

Originalveröffentlichung

C. Hong, F. Zhao, S.-B. Song et al. 

Highly efficient, deep-ultraviolet luminescence in hBN moiré quantum wells

Science 391 (6791), eaeb2095 (2026)

DOI: 10.1126/science.aeb2095