Durchbruch in der Forschung zur Herstellung von 2D-Kristallen mit hervorragenden optischen Eigenschaften
Flache Kristalle weisen über die gesamte Oberfläche einheitliche Parameter auf
Zum ersten Mal wurden Monoschichten aus Übergangsmetall-Dichalcogeniden mit ausgezeichneten optischen Eigenschaften gezüchtet. Einem Team von Physikern der Universität Warschau gelang es, die technischen Schwierigkeiten zu überwinden, mit denen Industrie und Wissenschaftler aus der ganzen Welt konfrontiert sind, nämlich die sehr begrenzte Größe, Heterogenität und Verbreiterung der Spektrallinien der hergestellten Materialien. Monoschichten ohne diese Defekte wurden durch Molekularstrahlepitaxie auf atomar flachen Bornitrid-Substraten gezüchtet.
Künstlerische Visualisierung: Monoschicht aus 2D-Material - Molybdändiselenid (MoSe2) wird durch Richten von Molekularstrahlen aus Selen (gelb) und Molybdän (blau) auf ein atomar flaches hexagonales Bornitrid-Substrat gezüchtet. Dank dieses Substrats weist die MoSe2-Epilschicht ausgezeichnete optische Eigenschaften auf. Das Bild wurde für das Cover der Ausgabe Mai 2020 der ACS Nano Letters gewählt.
UW Physics, A. Bogucki, W. Pacuski
Zweidimensionale Kristalle mit Wabenstruktur, darunter das berühmte Graphen, haben die Nanowissenschaften bereits revolutioniert und haben das Potenzial, auch gängige Technologien zu revolutionieren. Daher ist es höchst wünschenswert, Methoden für ihre Herstellung im industriellen Maßstab zu entwickeln.
Trotz erheblicher Investitionen in die Entwicklung von Züchtungstechniken für atomar dünne Kristalle werden die qualitativ hochwertigsten Monolagen derzeit jedoch noch immer durch Exfoliation, d.h. durch die mechanische Ablösung einzelner Atomlagen vom Volumenkristall, erzielt. Beispielsweise weisen Graphenflocken, die aus Bulkgraphit abgeblättert werden, im Vergleich zu gezüchtetem Graphen bessere elektrische Eigenschaften auf. Im Gegensatz dazu ist die Größe der mechanisch abgeblätterten Monolagen eher gering.
In ähnlicher Weise werden die optischen Eigenschaften zweidimensionaler Übergangsmetall-Dichalcogenide (z.B. Molybdändiselenid) nur bei Schichten, die durch Abblätterung und nach weiterer mechanischer Behandlung, z.B. zwischen Schichten aus Bornitrid, erhalten wurden, vollständig offenbart. Wie bereits erwähnt, führt diese Technik jedoch nicht zu atomar dünnen Kristallen in größerem Maßstab, was zu Heterogenität, begrenzter Größe und sogar zum Auftreten von Wellungen, Blasen und unregelmäßigen Kanten führt.
Daher ist es von entscheidender Bedeutung, eine Technik für die Züchtung zweidimensionaler Übergangsmetall-Dichalcogenide zu entwickeln, die die Herstellung von Monolagen mit einer großen Oberfläche ermöglicht. Eine der derzeit fortschrittlichsten Technologien zur Herstellung dünner Halbleiterkristalle ist die Molekularstrahlepitaxie (MBE). Sie liefert niedrigdimensionale Strukturen auf großen Wafern mit hoher Homogenität, aber ihre Wirksamkeit bei der Herstellung von Übergangsmetall-Dichalcogeniden war bisher sehr begrenzt. Insbesondere die optischen Eigenschaften von MBE-gezüchteten Monoschichten waren bisher eher bescheiden, z.B. waren die Spektrallinien breit und schwach, was keine Hoffnung auf die Nutzung der spektakulären optischen Eigenschaften von Übergangsmetall-Dichalcogeniden in größerem Maßstab gibt.
Auf diesem Gebiet ist Forschern der Fakultät für Physik der Universität Warschau ein Durchbruch gelungen. In Zusammenarbeit mit mehreren Labors aus Europa und Japan führten sie eine Reihe von Studien über das Wachstum von Übergangsmetall-Dichalcogenid-Monoschichten auf einem atomar flachen Bornitrid-Substrat durch. Auf diese Weise erhielten sie mit der MBE-Methode flache Kristalle von gleicher Größe wie das Substrat, die über die gesamte Oberfläche einheitliche Parameter aufweisen, darunter - was am wertvollsten ist - ausgezeichnete optische Eigenschaften.
Die Ergebnisse der Arbeit sind soeben im neuesten Band der renommierten Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht worden. Die Entdeckung lenkt die zukünftige Forschung auf die industrielle Produktion von atomar dünnen Materialien. Insbesondere weist sie auf die Notwendigkeit hin, größere atomar flache Bornitrid-Wafer zu entwickeln. Auf solchen Wafern wird es möglich sein, Monoschichten mit der optischen Qualität, den Abmessungen und der Homogenität zu züchten, die für optoelektronische Anwendungen erforderlich sind.
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Originalveröffentlichung
W. Pacuski, M. Grzeszczyk, K. Nogajewski, A. Bogucki, K. Oreszczuk, J. Kucharek, K.E. Polczynska, B. Seredynski, A. Rodek, R. Bozek, T. Taniguchi, K. Watanabe, S. Kret, J. Sadowski, T. Kazimierczuk, M. Potemski, P. Kossacki; ''Narrow Excitonic Lines and Large-Scale Homogeneity of Transition-Metal Dichalcogenide Monolayers Grown by Molecular Beam Epitaxy on Hexagonal Boron Nitride"; Nano Lett. 20, 3058 (2020)
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