2D Materialien – Institut für Festkörperphysik

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 MX_a, wobei zumeist Mo, W, Hf, Zr, Ti oder Nb als Übergangsmetall (M) und S, Se oder Te als Chalkogen (X) verwendet wird und a den Stöchiometriefaktor (2, 3, 5) angibt, Übergangsmetallthiophosphate bzw. Übergangsmetallselenophosphate wie z. B. Fe₂P₂Se₆ oder Cd₂P₂S₆, hexagonaler schwarzer Phosphor (BP) und hexagonales Bornitrid (hBN). All diese Schichtmaterialien werden über schwache van der Waals Kräfte zu einer dreidimensionalen Struktur zusammengehalten. Deshalb können die Schichten 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 eine 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 Graphitschichten, 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.

Einzellagen-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 Mehrlagen Graphen, im Reinraum her und untersuchen sie anschließend mit Magnetotransportmessungen oder Rasterkraftmikroskopie. Zum Strukturieren des Graphens 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.

Rasterkraftmikroskopie zum Herstellen von verdrehten Zwei-Lagen Graphen

Die elektronischen Eigenschaften von Doppellagen-Graphen hängen stark von der relativen Orientierung der beiden Lagen zueinander ab. Der Drehwinkel zwischen den beiden Lagen eröffnet ein neues Feld an interessanter Physik. Besonders im Bereich des magischen Winkels lassen sich interessante Effekte beobachten.

Verdrehtes Doppellagen-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. Die so selbstorganisierten Doppellagen 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 unserer Materialien ausnutzt, um Heterostrukturen aus unterschiedlichen 2D Materialien herzustellen. Hierbei werden 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

Eines der 2D Materialien 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 sich durch Variation der Dicke die Bandgapenergie E_A aufgrund einer starken Bandstrukturänderung (Inset) ändert. Im Volumenmaterial ist zunächst eine kleine Bandlücke (grün), die beim Ausdünnen immer breiter wird (rot). CB: Leitungsband, VB: Valenzband.