Selbstausgerichtete 2D-Material- und plasmonische-Nanobänder

Das Projekt Selbstausgerichtete 2D-Material- und plasmonische-Nanobänder verfolgt zwei neue Ansätze bei der Bottom-up-Strukturierung von zweidimensionalen (2D) Materialien und untersucht die dahinterliegenden grundlegenden Mechanismen. Dabei werden Masken verwendet, die durch selbstorganisiertes und selbstausgerichtetes Wachstum von organischen Nanostrukturen entstehen. Damit ist die Herstellung von großflächigen Nanoribbon-Netzwerken aus beliebigen 2D-Materialien möglich. Es werden verschiedene Ätz-Methoden für 2D-Materialien (Plasmaätzen, Laserablation) mit dem Ziel untersucht, die vorgegebenen Muster der selbstorganisierten organischen Nanostrukturen in das 2D- Material einzuprägen. Zusätzlich sollen die Nanoribbon-Netzwerke als Schablonen/Gerüste für die Herstellung von hochgeordneten plasmonischen Arrays und Nanobändern genutzt werden. Dies soll durch Dekorierung der Nanoribbon-Netzwerke mit metallischen Nanopartikeln (NPs) über bottom-up chemische Synthesemethoden erfolgen. Das Projekt beschreitet neue Wege in der Nanostrukturierung von 2D-Materialien, indem Selbstorganisation und Selbstausrichtung auf atomarer Ebene mit großflächiger Strukturierung beliebiger 2D-Materialien verbunded wird. Obwohl das Wachstum organischer Halbleiter auf 2D-Materialien gut verstanden ist, wurde der vorgeschlagene Ansatz in der organischen Lithographie auf Selbstorganisationsbasis noch nie angewendet. Das hohe Maß an Kontrolle bei der Herstellung dieser Hybrid-Nanostrukturen ermöglicht ein besseres Verständnis der Korrelation zwischen den erhaltenen Eigenschaften und der Struktur. Dies bietet die Möglichkeit, Elektronen-Plasmon-Interferenzphänomene in 2D-Materialien zu untersuchen, die noch nie zuvor erforscht wurden. Dabei liegt der Fokus auf unsere Expertise in den Bereichen der nano-optischen und nano-elektrischen Charakterisierung. Da das vorgeschlagene Projekt neue Richtungen für die großflächige Bottom-up-Strukturierung beliebiger 2D-Materialien ermöglicht, kann es auch zur Entwicklung neuer, disruptiver Technologien führen. Nanostrukturierte 2D-Materialien mit einem extrem hohen Verhältnis zwischen Randlänge zu Oberfläche sind interessant für die Entwicklung zukünftiger Sensortechnologien wie: chemische und plasmonische Sensoren,Multi-Sensing-Chips,E-Skin; undfürFotodetektoranwendungenwie: Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, Quantenkryptographie und Datenverarbeitung. Die Ergebnisse des Projekts werden somit nicht nur von große Bedeutung für den wissenschaftlichen Fachbereich sein, sondern auch die Elektronikindustrie erreichen und folglich unseren Alltag beeinflussen.

Das Projekt "Selbstausrichtende 2D-Materialbänder und plasmonische Nanobänder" wurde im Zeitraum 2020-2023 von den Forschungsteams von Priv. Doz. Dr. Aleksandar Matkovic von der Montanuniversität Leoben in Österreich und Prof. Raul David Rodriguez von der Polytechnischen Universität Tomsk in der Russischen Föderation durchgeführt. Obwohl das Projekt in einem sehr turbulenten Zeitrahmen mit globalen Pandemien und der russisch-ukrainischen Krise umgesetzt wurde, gelang es den Forschungsteams, die Zusammenarbeit aufrechtzuerhalten und festgelegte Projektziele zu entwickeln. Das Projekt ist im Bereich zweidimensionaler (2D) Materialien für elektronische, plasmonische und katalytische Anwendungen angesiedelt. Die heutigen Mikrochips schrumpfen auf ein Niveau, bei dem die wichtigsten funktionalen Schaltelemente (Transistoren) nur noch wenige tausend Atome enthalten. Ab 2025 wird erwartet, dass siliziumbasierte kommerzielle Technologien in Richtung Silizium-Nanobänder gehen werden und dass diese neue Architektur wahrscheinlich ausreichen wird, um das erforderliche Wachstum der Elektronikindustrie bis 2032 zu ermöglichen. Danach ist es wahrscheinlich, dass die Mikroelektronik für die Kernelemente auf Nicht-Silizium-Materialien basieren muss. Hier werden wahrscheinlich 2D-Materialien ins Spiel kommen. Aus dieser Perspektive muss jetzt geforscht werden und die Herstellung nicht nur von 2D-Materialschichten, sondern auch von Nanobändern muss untersucht und die am besten geeigneten Methoden entwickelt werden. Ziel des Projekts war die Entwicklung einer neuen Methode zur Herstellung von Nanobändern, atomar dünnen und nur wenige zehn Nanometer breiten Streifen. Die Teams schlugen vor, die Selbstassemblierung organischer Moleküle auf 2D-Materialien und ihre Verwendung als nanoskalige Mustermasken zu nutzen. Dieser Ansatz wurde noch nie zuvor getestet und erwies sich als erfolgreicher Weg. Im Rahmen dieses Projekts wurde erstmals 2022 über mit dieser neuartigen Methode hergestellte elektronische Geräte aus 2D-Material-Nanobändern berichtet, und bis heute halten sie den Rekord in der elektrischen Leistung von Nanobändern. Ausgewählte organische Strukturen bilden von Natur aus nanoskalige Objekte in Längenskalen, die mit DNA-Molekülen vergleichbar sind und weit unter den Grenzen der modernen Lithografie liegen. Gleichzeitig ist die vorgeschlagene Methode skalierbar und könnte auf den für die Inline-Produktion von Tausenden von Mikrochips erforderlichen Maßstab angewendet werden. Neben dem Machbarkeitsnachweis, dass die Methode für die Nanoelektronik geeignet ist, hat das Projekt außerdem die Anwendbarkeit dieser Nanobänder in der Plasmonik (auf Nanoskala beschränktes Licht) und der Katalyse untersucht. Die Teams haben gezeigt, dass es möglich ist, metallische Nanopartikel (nur wenige Nanometer im Durchmesser) zu bilden, die ausschließlich an den Rändern der Nanobänder wachsen. Das hybride gemischtdimensionale Nanosystem wurde als plasmonisches Nanoband bezeichnet, da die Bänder an ihren Rändern mit Partikeln verziert zu sein scheinen. Diese Nanobänder haben eine plasmonische Lichtverstärkung und eine extreme katalytische Effizienz gezeigt. Daher hat das Projekt mehrere neue Richtungen in der Nanofabrikation, der steuerbaren Katalyse und der plasmonischen Sensorik eröffnet.