Atomare Kontrolle über 2D-Materialien mit Ionenbestrahlung

Der Schwerpunkt dieses Projekts ist, neuartige Materialien mit Ionenbestrahlung (eine alte Methode der modernen Halbleiterindustrie), kontrolliert anzupassen. Speziell konzentrieren wir uns auf zweidimensionale Materialen, die im Laufe der letzten zehn Jahre großes Interesse, aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften bekommen haben. In der Natur besitzen solche Materialien eine Schichtstruktur. Diese ist vergleichbar mit einem Stapel Papier, aus welchem es möglich ist, einzelnen Lagen zu extrahieren. Ein solches Material ist Graphit, welcher aus einzelnen Lagen von Kohlenstoffatomen, angeordnet in einer wabenförmigen Struktur, aufgebaut ist. Dieses, nur aus einer Atomlage Kohlenstoff bestehende Material, mit dem Namen Graphen, ist weitaus nicht das einzige, aber mit Sicherheit das bis heute bekannteste zeidimensionale Material. Durch Kontrolle der Bestrahlungsparameter ist es möglich auch diese Materialien zu verändern. Beispielsweise kann man einige Kohlenstoffatome in Graphen gezielt durch andere Elemente ersetzen. Wegen der unterschiedlichen Eigenschaften, wie Gewicht, Elektronenzahl und elektrostatischem Potenzial, beeinflussen diese Fremdatome viele Materialeigenschaften. Erfolg mit diesem Projekt wird uns eine neue Methode liefern, welche zum Maßschneidern neuartiger Materialien verwendet werden kann.

Seit der Entdeckung von Graphen, einem ein Atom dicken Material bestehend aus Kohlenstoffatomen, im Jahr 2004 hat die Erforschung anderer, ähnlich dünner Materialien zur Entwicklung eines völlig neuen Forschungsgebiets innerhalb der Materialwissenschaften geführt. Viele der entdeckten sogenannten 2D-Materialien liegen normalerweise in gestapelter Form vor, wie ein Stapel Papier, vergleichbar mit Graphit - dem Material, das als "Mine" eines Bleistifts bekannt ist - welches aus mehreren Graphenschichten besteht. Das große Interesse an diesen Materialien rührt zum Teil daher, dass sich viele ihrer Eigenschaften von denen normaler Materialien unterscheiden, da ihre Elektronen quantenmechanisch auf zwei Dimensionen beschränkt sind, was zu vielen einzigartigen Eigenschaften führt, die in Anwendungen genutzt werden können. Trotz der vielen interessanten Eigenschaften von 2D-Materialien muss man, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, auch in der Lage sein, sie kontrolliert zu verändern. Eine solche Veränderung wird in der modernen Halbleiterindustrie häufig durch Ionenbestrahlung erreicht. Aufgrund der dünnen Struktur ist diese Technologie jedoch nicht direkt auf 2D-Materialien übertragbar. Ziel dieses eigenständigen Forschungsprojekts war es, die Ionenbestrahlung auch für die Strukturanpassung von 2D-Materialien nutzbar zu machen. Die wichtigsten Ergebnisse des Projekts waren eine neue Methode zur Herstellung von atomar sauberen 2D-Materialien, ihre kontrollierte Veränderung durch niederenergetische Ionenbestrahlung, neue Methoden für ihre automatisierte Abbildung auf atomarer Ebene und das erfolgreiche Einfügen von einzelnen Atomen und Clustern mit wenigen Atomen in diese Materialien. Mit diesen Fortschritten dürften die Projektergebnisse einen erheblichen Einfluss auf die technische Entwicklung in vielen Bereichen haben, die von der Katalyse über die Erzeugung grüner Energie bis hin zur Quanteninformationstechnologie reichen.