2D Materialien

Zweidimensionale (2D) Materialien sind Gegenstand der aktuellen Forschung und nehmen auch in der Entwicklung einen immer größeren Anteil ein. Neben Graphen, dem bekanntesten Vertreter dieser Gruppe, gibt es noch viele weitere Materialgruppen wie z. B.  Übergangsmetallchalkogenide der Form MXa mit zumeist Mo, W, Hf, Zr, Ti oder Nb als Übergangsmetall und S, Se oder Te als Chalkogene und a als Stöchiometriefaktor (2, 3, 5), Übergangsmetallthiophosphate bzw. Übergangsmetallselenophosphate wie z. B. Fe2P2Se6 oder Cd2P2S6, hexagonaler schwarzer Phosphor (BP) und hexagonalem Bornitrid (hBN). All diese Schichtmaterialien werden über schwache van der Waals Kräfte zu einer dreidimensionalen Struktur zusammengehalten, können einfach voneinander abgespalten werden und lassen sich bis zu einer atomar-dicken Lage reduzieren. Diese teilweise exotischen Materialien weisen einzigartige elektrische, optische oder mechanische Eigenschaften auf. Die Eigenschaften werden durch variieren der Schichtdicke, durch Zusammenfügen verschiedener Materialien (sog. Heterostrukturen) oder durch Verdrehen zweier Lagen relativ zueinander beeinflusst.

NANOSTRUKTURIERTES GRAPHEN

Kohlenstoff kann in unterschiedlichen Strukturen vorkommen, zu den Wichtigsten zählen dabei die Diamantstruktur und die Graphitstruktur. Der Unterschied zwischen den beiden Strukturen liegt in ihren Bindungen begründet. Graphitstrukturen besitzen ein sp3 Hybridisierung, d.h. die Festigkeit in dieser Struktur ist nur in einer Ebene gegeben, während senkrecht dazu die Bindung relativ schwach ist. Wenige dieser einzelnen Graphitebene, die für sich als zweidimensionale Systeme behandelt werden, heißen Graphen. Die ungewöhnlichen Eigenschaften von Graphen machen es sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen interessant.

Einzel-Lagen-Graphen zeigt aufgrund seiner hexagonalen Gitterstruktur außergewöhnliche elektronische Eigenschaften. So besitzt es keine Bandlücke und mit Hilfe eines angelegten Potentials lassen sich die Ladungsträger von Elektronen zu Löchern durchstimmen.

Wir stellen unsere Graphenproben, ob Einzel-, Zwei- oder Mehr-Lagen Graphen, im Reinraum her und untersuchen sie anschließend mit Magnetotransportmessungen oder Rasterkraftmikroskopie. Zum Strukturieren des Graphen benutzen wir Elektronenstrahllithografie sowie Plasmaätzen und erhalten so z.B. Hallstrukturen oder Ringe.

Zu sehen ist eine Hallgeometrie, die auf einem Graphen-Flake strukturiert wurde. Zu sehen ist eine Hallgeometrie, die auf einem Graphen-Flake strukturiert wurde. Zu sehen ist eine Hallgeometrie, die auf einem Graphen-Flake strukturiert wurde. © AG Haug

RASTERKRAFTMIKROSKOPIE ZUM HERSTELLEN VON VERDREHTEN ZWEI-LAGEN GRAPHEN

Die elektronischen Eigenschaften von Doppel-Lagen-Graphen hängen stark von der relativen Orientierung der beiden Lagen zueinander ab. Der Drehwinkel zwischen den beiden Lagen eröffnet ein neues Feld an reicher Physik, besonders im Bereich um den magischen Winkel lassen sich interessante Effekte beobachten.

Verdrehte Doppel-Lagen-Graphen kann auf unterschiedliche Arten erzeugt werden, wir benutzen hierfür ein Rasterkraftmikroskop. Bei dieser Technik wird ein diagonaler Einschnitt durch eine Einzellage-Graphen bei hoher Andruckkraft durchgeführt. Ausgehend von dem Einschnitt mit der Messspitze entstehen mehrere Faltungen entstehen. Die so selbstorganisierte Doppel-Lagen lassen sich in Faltungen mit einem oder zwei Einrissen unterscheiden.

TRANSFER VON 2D MATERIALIEN

Wir benutzen ein Transferverfahren, welches die schwache van der Waals Bindung unsere Materialien ausnutzt, um Heterostrukturen aus unterschiedlichen 2D Materialien herzustellen. Hierbei wird unter dem Mikroskop mit Hilfe von einem Polypropylencarbonat (PPC) Film unter Variation der Temperatur, einzelne Lagen verschiedener Materialien angehoben und neu platziert. Dieses Transfermethode wird z.B. genutzt, um Graphen in hBN einzukapseln.

HAFNIUMPENTATELLURID

Ein 2D Material ist z. B. Hafniumpentatellurid (HfTe5) welches in der kristallographischen b-Achse gestapelt ist. Abbildung a) zeigt seine Kristallstruktur: 3 Te-Atome (blau) sind mit einem Hf-Atom (rot) kovalent verbunden und bilden in der a-Achse quasi eindimensionale Kanäle, die wiederum mit 2 weiteren Te-Atomen (violett) in c-Richtung verkettet sind. Anhand dieser asymmetrischen kristallographischen Orientierung entstehen anisotrope physikalische Eigenschaften. In Abbildung b) ist zu sehen, dass durch Variation der Dicke ändert sich z. B. die Bandgapenergie EA aufgrund einer starken Bandstrukturänderung (Inset). Im Volumenmaterial ist zunächst eine kleine Bandlücke (grün) die beim Ausdünnen immer breiter wird (rot). CB: Leitungsband, VB: Valenzband

© AG Haug

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