20.10.2020 - Chalmers University of Technology

Wie man perfekte Kanten in 2D-Materialien erzeugt

Forscher passen Eigenschaften der Materialien mit Hilfe einer "magischen" Chemikalie an und gründen ein Start-up

Ultradünne Materialien wie Graphen versprechen eine Revolution in der Nanowissenschaft und -technologie. Forscher der Chalmers University of Technology, Schweden, haben jetzt einen wichtigen Fortschritt auf diesem Gebiet erzielt. In einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung in Nature Communications stellen sie eine Methode zur Kontrolle der Kanten zweidimensionaler Materialien mit Hilfe einer "magischen" Chemikalie vor.

"Mit unserer Methode ist es möglich, die Kanten - Atom für Atom - in einer Weise zu kontrollieren, die sowohl einfach als auch skalierbar ist, wobei nur eine milde Erwärmung zusammen mit reichlich vorhandenen, umweltfreundlichen Chemikalien wie Wasserstoffperoxid verwendet wird", sagt Battulga Munkhbat, Postdoktorand an der Fakultät für Physik der Technischen Universität Chalmers und Erstautor der Arbeit.

Materialien, die so dünn wie nur eine einzige Atomlage sind, werden als zweidimensionale oder 2D-Materialien bezeichnet. Das bekannteste Beispiel ist Graphen, sowie Molybdändisulfid, sein Halbleiteranalogon. Zukünftige Entwicklungen auf diesem Gebiet könnten von der Untersuchung einer besonderen Eigenschaft solcher Materialien - ihrer Kanten - profitieren. Die Kontrolle der Kanten ist ein anspruchsvolles wissenschaftliches Problem, da sie sich im Vergleich zum Hauptkörper eines 2D-Materials sehr stark unterscheiden. Zum Beispiel kann ein bestimmter Kantentyp, der in Übergangsmetall-Dichalcogeniden (bekannt als TMDs, wie das oben erwähnte Molybdändisulfid) gefunden wird, magnetische und katalytische Eigenschaften haben.

Typische TMD-Materialien haben Kanten, die es in zwei verschiedenen Varianten geben kann, die als Zickzack oder Sessel bekannt sind. Diese Alternativen sind so unterschiedlich, dass ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften überhaupt nicht gleich sind. Berechnungen sagen zum Beispiel voraus, dass Zickzackkanten metallisch und ferromagnetisch sind, während Sesselkanten halbleitend und unmagnetisch sind. Ähnlich wie diese bemerkenswerten Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften könnte man erwarten, dass auch die chemischen Eigenschaften von Zickzack- und Sesselkanten sehr unterschiedlich sind. Wenn dem so ist, könnte es möglich sein, dass bestimmte Chemikalien Sesselkanten "auflösen", während die Zickzackkanten unbeeinflusst bleiben.

Nun ist eine solche "magische" Chemikalie genau das, was die Chalmers-Forscher gefunden haben - in Form von gewöhnlichem Wasserstoffperoxid. Zuerst waren die Forscher von den neuen Ergebnissen völlig überrascht.

"Es war nicht nur, dass ein Kantentyp die anderen dominierte, sondern auch, dass die resultierenden Kanten extrem scharf - fast atomar scharf - waren. Dies deutet darauf hin, dass die 'magische' Chemikalie auf eine so genannte selbstbegrenzende Art und Weise wirkt, indem sie unerwünschtes Material Atom für Atom entfernt und schließlich zu Kanten an der atomar scharfen Grenze führt. Die resultierenden Muster folgten der kristallographischen Orientierung des ursprünglichen TMD-Materials und erzeugten schöne, atomar scharfe hexagonale Nanostrukturen", sagt Battulga Munkhbat.

"Eine äußerst faszinierende Entwicklung", sagt Battulga Munkhbat.

Die neue Methode, die eine Kombination von lithographischen Standardverfahren von oben nach unten mit einem neuen anisotropen Nassätzverfahren umfasst, ermöglicht es daher, perfekte Kanten in zweidimensionalen Materialien zu erzeugen.

"Diese Methode eröffnet neue und beispiellose Möglichkeiten für van der Waals-Materialien (geschichtete 2D-Materialien). Wir können jetzt die Kantenphysik mit der 2D-Physik in einem einzigen Material kombinieren. Das ist eine äußerst faszinierende Entwicklung", sagt Timur Shegai, außerordentlicher Professor an der Abteilung für Physik bei Chalmers und Leiter des Forschungsprojekts.

Diese und andere verwandte Materialien ziehen oft die Aufmerksamkeit der Forschung auf sich, da sie entscheidende Fortschritte in der Nanowissenschaft und -technologie ermöglichen, deren potenzielle Anwendungen von der Quantenelektronik bis hin zu neuen Arten von Nanobauteilen reichen. Diese Hoffnungen manifestieren sich im Graphene-Flaggschiff, Europas grösster Forschungsinitiative aller Zeiten, die von der Chalmers University of Technology koordiniert wird.

Um die neue Technologie Forschungslabors und Hightech-Unternehmen zugänglich zu machen, haben die Forscher das Start-up SMENA TECH gegründet, das qualitativ hochwertige, atomar scharfe TMD-Materialien anbietet. Die Forscher planen auch, Anwendungen für diese atomar scharfen Metamaterialien weiterzuentwickeln.

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