Chemische Manipulation von 2D Materialien auf NanometerEbene

Im Projekt "Chemische Manipulation zweidimensionaler Materialien auf Nanometer-Ebene" untersuchen wir wie neue zweidimensionale (2D) Materialien mit spezifischen Eigenschaften konzipiert und hergestellt werden können. Die Entwicklung neuer Materialien ist ein wichtiger Anwendungsbereich der Materialwissenschaften. Eigenschaften können beispielsweise durch Strukturänderungen des Gitters auf atomarer Ebene gezielt herbeigeführt werden. 2D Nanomaterialien die nur aus einer oder wenigen Atomlagen bestehen sind besonders interessant in Bezug auf Materialdesign aufgrund ihrer Niedrigdimensionalität. Durch Eingriffe in die atomare Struktur eines 2D Materials können sich die Eigenschaften fundamental verändern. Dabei ist oft ein einziges Atom ausreichend. Diese Materialien könnten besser für die Anforderungen einer neuen Generation von Anwendungen mit überlegener Leistungsfähigkeit geeignet sein. Die Möglichkeiten reichen von Sensoren über Nanoelektronik bis hin zu Filtern. Die in diesem Projekt verwendeten Methoden beinhalten Elektronenmikroskopie und Simulationen. Elektronenmikroskopie erlaubt es Strukturen mit atomarer Auflösung abzubilden. Die Verwendung des Mikroskops Nion UltraSTEM 100 in Wien erlaubt es Gasmoleküle auf die Probenoberfläche aufzubringen. Diese Moleküle werden durch den Elektronenstrahl gespalten und können dann Ätzprozesse verursachen. Üblicherweise wird versucht diese zu vermeiden, da sie unkontrollierte und ungewollte Auswirkungen auf die Probe haben können. Unser Ziel ist es den Ätzprozess zu steuern und für die Herstellung von strukturierten 2D Materialien zu verwenden. Dies ist möglich durch das gezielte Verändern des Atomgitters. Dadurch kann man kontrolliert Features auf Nanoebene erzeugen, beispielsweise Schnitte entlang hochsymmetrischer Gitterrichtungen, die dann zur Herstellung von Nanowires und Nanoribbon verwendet werden können. Dieselbe Methode kann auch zur Erzeugung von Poren verschiedener Größen genutzt werden. Für viele Anwendungen, wie Sensoren und Filter wären Materialien mit solchen Features äußerst vorteilhaft. Um alle in diesem chemischen Prozess maßgeblichen Mechanismen zu verstehen werden wir atomistische Simulationen verwenden, die das System modellieren. Wir werden ein völlig neues neuronales Netzwerkpotential entwickeln, um die Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und Oberfläche zu beschreiben. Dies ist derzeit mit den vorhandenen Methoden in der benötigten Größenordnung nicht möglich. Dieser Teil des Projekts hat zum Ziel das erste Potential zur Modellierung chemischer Reaktionen in großen Systemen mit eine hoche Präzision, zu entwickeln. Dieses Projekt wird dazu beitragen neue 2D Materialien mit kontrollierten Eigenschaften zu entwickeln und dabei eine neue Herangehensweise für die nächste Generation von Anwendungen auf der Nanometer-Ebene verwenden.

Das zweijährige FWF Lise Meitner Projekt "Chemische Manipulation zweidimensionaler Materialien auf Nanometer-Ebene" an der Universität Wien fördert neue Erkenntnisse über Struktur und Eigenschaften zweidimensionaler Materialien (2D) zutage. Diese Materialien bestehen entweder aus einer oder nur wenigen Atomschichten und besitzen interessante Eigenschaften. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, wie sich die Materialien beim Studium unter dem Elektronenmikroskop in unterschiedlichen Milieus verhalten. Zudem lassen sie wichtige Schlussfolgerungen auf ihre Eignung für Anwendungen an der Luft zu, und helfen dabei Voraussagen zu strukturellen Veränderungen, die einen wesentlichen Einfluss auf ihre Eigenschaften haben, zu treffen. Das Projekt stellt auch eine neue Methode zum Einfügen einzelner Metallatome in das 2D-Material vor. Metallatome können die ursprünglichen Eigenschaften des Materials grundlegend verändern. Solche Nanostrukturen sind für die Entwicklung neuer Materialien für Katalyse und Energieumwandlung von großer Bedeutung, und stellen eine Verbindung zwischen den Ergebnissen des Projekts und globalen energiepolitischen Herausforderungen her. Die untersuchte singuläre Schicht Molybdänditellurid (MoTe2) besteht aus abwechselnd angeordneten Molybdän- und Telluratomen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass dieses Material in einer Sauerstoffumgebung reagiert. Bei einem Druck von über 1107 Torr entstehen deutliche Verätzungen an der Materialoberfläche. Dabei landen Sauerstoffradikale auf der Oberfläche des Versuchsmaterials und reagieren mit den Telluratomen. Computersimulationen zeigen wie zwei Sauerstoffatome ein einziges Telluratom von einer sauberen, unbeschädigten MoTe2 Oberfläche mittels einer energetisch positiven Reaktion, wie sie auch bei Zimmertemperatur stattfinden kann, entfernen. Dieser Prozess führt innerhalb einiger Minuten zu einer deutlichen Verätzung und Verschleißerscheinungen auf der Oberfläche. Verunreinigungen mit Kohlenwasserstoff, die üblicherweise auf der Oberfläche von Nanomaterialien zu finden ist, beschleunigt diesen Prozess sogar noch weiter. Auf stark kontaminierten Oberflächen konnten wir eine bis zu vierzigmal höhere Verätzungsrate feststellen. Im Vergleich dazu verhält sich eine einzelne Schicht aus Molybdändisulfid (MoS2), ein anderes 2D-Material mit ähnlicher Struktur, in einer sauerstoffreichen Umgebung inaktiv. Hier konnte kein Hinweis auf einen dynamischen sauerstoffbedingten Verätzungsprozess festgestellt werden und auch unsere Computersimulationen bestätigten die im Experiment gemessenen Ergebnisse. Zur weiteren Untersuchung chemischer Veränderungen von 2D-Materialien können neue Atomarten in die Struktur eingebaut werden. Im Laufe des Projekts verwendeten wir Graphenproben, die aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatome bestanden. Durch die Bestrahlung mit Niedrigenergie-Ionen in zwei aufeinanderfolgenden Schritten, konnte ein erfolgreiches Verfahren zum Einfügen von Metallatomen in die Struktur gefunden werden. Dieses Verfahren umgeht die üblicherweise bei diesem Prozess auftretenden Probleme und führt zu einer hohen Konzentration von Strukturen, die auch bei Zimmertemperatur stabil bleiben. Das System besteht nur aus Metallatomen, welche in Graphen eingebunden sind und einige der ursprünglichen Atome ersetzen. Diese Methode erscheint vielseitig und attraktiv, da sie sich bei unterschiedlichen Systemen anwenden lässt. Die Ergebnisse liegen direkt an der Schnittstelle zwischen Physik und Chemie und haben erheblichen Einfluss auf die Entwicklung neuer funktionaler Nanooberflächen, die auf Metallatomen basieren.