2D-Materialien

Das mit Abstand am weitesten erforschte zwei-dimensionale Material (2D-Material), für dessen Entdeckung im Jahr 2004 Novoselov und Geim den Physik-Nobelpreis (2010) erhielten, ist Graphen. Zu Beginn konzentrierte sich die Erforschung der 2D-Materialien fast ausschließlich auf diesen bemerkenswerten Werkstoff. Das Material besteht aus einer einzigen Atomlage kovalent gebundener Kohlenstoffatome und verknüpft eine sehr gute thermische und elektrische Leitfähigkeit mit sehr geringem Gewicht und extrem hoher Fe-stigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit kann allerdings erst durch Modifikationen eingestellt werden, da Graphen ein Isolator ist. Aufgrund dieses außergewöhnlichen Profils wurden in den fetzten Jahren zunehmend weitere sehr interessante 2D-Materialien erforscht, die z.T. sehr unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Einige dieser Materialien werden im Fol-genden näher beleuchtet. Ebenfalls eine Atomlage dicke, Graphen-analoge 2D-Materialien sind beispielsweise Borni-trid (BN), Silicen (Si), Germanan (GeH), Stanen (Sn) und Phosphoren (P). Die Einzelschichten dieser Werkstoffe besitzen unterschiedlich stark gewellte Wabenstrukturen. Bornitrid, das sogenannte weiße Graphen, unterscheidet sich von Graphen darin, dass die C-C-Bin-dungen durch alternierende B-N-Bindungen ersetzt sind. Obwohl die Materialien strukturell sehr ähnlich sind, weisen sie voneinander abweichende Eigenschaften auf. Beispielsweise ist eine einzelne BN-Schicht zwar elektrisch isolierend, es besitzt jedoch eine große inhärente Bandlücke von 5,97 eV. Somit ist es leichter möglich, elektronische Eigenschaften durch das Einführen von Defekten oder der Modifikation der Oberfläche bzw. der Kanten zu modellieren, was den Werkstoff für Anwendungen in der Elektronik potenziell zugänglich macht. Zudem besteht theoretischen Berech-nungen zufolge die Möglichkeit, auf ähnliche Art magnetische Eigenschaften zu implementieren. Silicen besitzt eine etwas stärker gewellte Graphen-analoge Struktur. Das hat den Vorteil, dass die Oberfläche reaktiver ist und somit das Einführen einer elektronischen Bandlücke, die im reinen Material nicht vorhanden ist, durch Modifikationen oder Defekte erleichtert wird.

Germanan konnte erst kürzlich isoliert wer-den. Dabei sind die kovalent in der Ebene verknüpften Germaniumatome mit Wasserstoffatomen abgesättigt, was die Einzelschichten oxidations-unempfindlich gegenüber Wasser und Luft macht. Das Material besitzt zudem eine Bandlücke. Die daraus resultierende Elektronen l eitfa h igkeit ist fünffach größer ist als die des metallischen Germaniums, sowie zehnfach höher als die des Siliziums. Stanen, eine einzelne Schicht aus Zinnatomen, wurde mit Hilfe theoretischer Berechnungen im letzten Jahr bereits vorhergesagt, es konnte jedoch bislang noch nicht isoliert werden. Aktuell arbeiten zwei Forschergrup-pen an der Herstellung von Phosphoren, dem Phosphor-analogen von Graphen. Erst kürzlich konnten zweilagige bzw. dreilagige Schichten produziert werden. Dieses mehrschichtige Material zeigt bereits hervorragende elektrische Leitfähigkeit, da es wie Germanan über eine natürliche Bandlücke verfügt. Neben den bereits genannten Werkstoffen gibt es auch molekulare 2D-Materialien wie z.B. Übergangsmetall-Dichalkogenide (ÜMD). Dies sind Verbindungen aus Übergangsmetallen wie Molybdän oder Wolfram mit Chalko-genen wie Schwefel oder Selen. In ÜMD wie Molybdändisulfid (MoS2) sind die Metaliatome zwischen zwei Lagen von kovalent gebundenen Chalkogenatomen eingeschlossen. Diese dreilagigen Schichten werden im Kristall nur von relativ schwachen nicht-kovalenten Wechselwirkungen zusammengehalten, wodurch es möglich ist, einzelne MoS?-Schichten abzutrennen, im Gegensatz zu Graphen besitzen z.B. MoS; und Wolframdisulfid (WS2) intrinsische Bandlücken. Die elektronische Struktur von ÜMD kann ebenfalls durch De-fekte und (Oberflächen) Modifikationen mo-delliert werden. Änderungen der Leitfähigkeit können aber auch durch mechanische Verformung, ein äußeres elektrisches Feld oder Mehrschichtigkeit erreicht werden. Einige der beschriebenen Materialien (BN, MoS;) können als Einzelschichten im Labormaßstab durch mechanische Abspaltung hergestellt werden. Dabei kann durch geschicktes Ablösen eines Klebebands von einem Kristall im Idealfall eine einzelne Schicht des Materials erhalten werden. Diese Technik wurde 2004 bereits für die Herstellung von Graphen verwendet. Das Verfahren führt jedoch meist zu mehrschichtigem Material. Neuere Methoden wie die chemische Schichttrennung, die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder das Oberflächengestützte epitaktische Wachstum führen zumeist zu besseren Ergebnissen.

Die  chemische Schichttrennung ermöglicht die Isolierung einzelner oder weniger Schichten in größeren Mengen mit Durchschnitts-größen von bis zu mehreren Mikrometern. Die Schichttrennung wird dabei durch Interkala-tion von Lösungsmittelmolekülen und/oder Ionen, beispielsweise Lithium-Ionen, erreicht. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung werden durch Hochtemperatur-Reaktionen von molekularen Vorstufen Einzelschichtab-scheidungen der Moleküle an speziellen Oberflächen realisiert. Allerdings ist diese Methode verglichen mit der chemischen Schichttrennung teuer und nutzt extreme Reaktionsbedingungen. Das 0herflächen-gestützte epitaktische Wachstum eignet sich insbesondere für die Herstellung von Silicen unter Verwendung von Silberplatten. Dabei lagert sich die kristalline Schicht aus Siliziumatomen in derselben kristallographischen Orientierung ab, wie es der kristallinen Orientierung des Substrates (z.B.Silber) entspricht. Für die Charakterisierung der 2D-Materialen werden hauptsächlich verschiedene spek-troskopische Methoden eingesetzt. Hierbei sind insbesondere die Lichtmikroskopie, die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und die Raman-Spektroskopie zu nennen. Eine stetige Erweiterung des Methodenspektrums ist allerdings unumgänglich, um kleinste Defekte in den Strukturen gezielt und sicher zu erkennen. Die Eigenschaften der einzelnen, hier exemplarisch aufgeführten, 2D-Materialien sind bereits sehr bemerkenswert. Eine Kombination von zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien dieser Art kann potentiell sehr interessante Anwendungen in der Elektronik zulassen. Beispielsweise führt eine Kombination von MoS2-Schichten mit Graphen- oder BN-Schichten zu einem Material, das nicht natürlich vorkommt und im Prinzip alternierend leitende und nicht-leitende Lagen aufweist. Die neuen 2D-Materialien könnten zukünftig z.B. zur Erhöhung der Rechenkapazitäten von Computern und Verringerung des Energieverbrauchs beitragen. Zudem ist vorstellbar, dass diese Werkstoffe die Entwicklung vollkommen neuer Geräte oder Technologien ermöglichen. Der Einsatz als Isolatoren, in Batterien, als photoleitende Strukturen oder als Flüssigkristalle ist vorstellbar. Die Euphorie, die die Her-stellung von Graphen hervorgerufen hat, ist bisher ungebremst und wird in Zukunft wohl zu weiteren neuen 2D-Materialien führen. Mit Phosphoren in greifbarer Nähe und vielen anderen theoretisch prognostizierten Materialien mit hervorragenden Eigenschaften ist das Forschungsfeld noch längere Zeit nicht erschöpft. Viele Herausforderungen sind noch zu meistern, wobei insbesondere die Stabilität der Materialien und die großtechnische Herstellung für die Marktreife von entscheidender Bedeutung sein werden.

 

Fraunhofer Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen
Appelsgarten 1,53879 Euskirchen berichtet in jeder Ausgabe exklusiv über Werkstofftrends

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