Für die Elektronik gehen 2D-Materialien weit über Graphen hinaus
Die Nachfrage der Elektronik nach Miniaturisierung nimmt weiter zu, während sich die Industrie langsam der Skalierungsgrenze für Silizium-Materialien nähert. In letzter Zeit haben sich 2D-Materialien aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sowie ihrer atomisch dünnen Abmessungen als vielversprechende Kandidaten für die Verwendung in miniaturisierten elektronischen und optoelektronischen Elementen herausgestellt. Da Graphen als erstes 2D-Material bereits detailliert erforscht wurde, konzentriert man sich nun auf andere Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften für neue Anwendungsgebiete. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts DEMONH untersuchten Wissenschaftler die elektronischen und optischen Eigenschaften eines 2D-Halbleitermaterials, das auch als Molybdändisulfid (MoS2) bekannt ist, sowie von vielversprechenden Hybridmaterialien, auch Blei-Halogenid-Perowskite genannt. Perfektion ist nicht alles Punktdefekte wie Leerstellen und Verunreinigungen sind in der Elektronik von wesentlicher Bedeutung. „Obwohl Punktdefekte manchmal als beträchtlicher Nachteil für die Realisierung bestimmter elektronischer Operationen gelten, kann jeder einzelne Defekttyp eine tiefgreifende Veränderung der Materialeigenschaften verursachen. Insbesondere die Tatsache, dass Defekte allgegenwärtig sind, kann die physikalische, elektrochemische und optoelektronische Reaktion von 2D-Materialien drastisch verbessern“, betont Projektkoordinator David Beljonne. Die Wissenschaftler beschäftigten sich hauptsächlich mit dem Einfluss von Punktdefekten, die entweder vorsätzlich zur Erhöhung der Dichte von Verankerungsstellen oder auf natürliche Weise während der Materialsynthese erzeugt werden. Im ersten Fall kann die Verankerung von Nanopartikeln an Defektstellen von MoS2 unter Lichteinstrahlung die Komplexität des funktionalen Materialverhaltens erhöhen. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Etablierung eines allgemeinen theoretischen Rahmens, durch den sowohl die photophysikalischen als auch die optoelektronischen Eigenschaften bestimmter Hybridmaterialien erfasst werden können. Die Forschung an organisch-anorganischen Materialien, die sich am Scheideweg zwischen Molekülen und Festkörpermaterialien befindet, beinhaltete aus der Chemie und der Physik entlehnte Prinzipien. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden untersuchte das Projektteam insbesondere, wie das Hinzufügen von Punktdefekten in hybriden Halogenid-Perowskiten dazu genutzt werden kann, um die Effizienz des Photokonversionsprozesses im Bereich Photovoltaik zu erhöhen. Die Ergebnisse halfen den Wissenschaftlern dabei, die Rolle des Dotierstoffes Chlor sowie der organischen Kationen bei der Unterdrückung der Ladungsträgerrekombination und Wiederherstellung von langlebigen Ladungsträgern besser zu verstehen. Von 2D-Materialien zu Heterostrukturen Die Forscher hatten mehrere 2D-Materialien zur Verfügung und konzentrierten sich darauf, sie in vertikalen Stapeln zu kombinieren. Die auf ultradünnen 2D-Materialbausteinen basierende Struktur von mehrschichtigen Architekturen wurde durch fortschrittliche Lösungsverarbeitungstechniken unterstützt. Organische Moleküle fördern den Exfoliationsprozess, indem sie die Materialien in einzelne, ultradünne und vor allem stabile Schichten delaminieren. „Der Aufbau stabiler konjugierter Polymere war der Schlüssel zur Untersuchung der leistungsfähigen Abstimmmechanismen der elektronischen und optischen Eigenschaften elementarer 2D-Einheiten“, betont Beljonne. Das Projektteam zeigte unter anderem, dass die elektrischen Eigenschaften von Metalldichalkogenid-2D-Schichten durch Ionenbombardierung abgestimmt werden können und die resultierenden Schwefelleerstellen als günstige Ankergruppen für Thiol-basierte multifunktionelle Moleküle fungieren. Gestapelte 2D-Materialien besitzen eine Reihe abstimmbarer Eigenschaften, von denen angenommen wird, dass sie noch eine entscheidende Rolle für zukünftige Anwendungen in der Elektronik und Optoelektronik spielen werden. Mögliche Anwendungen reichen von Mikrochip-Komponenten bis hin zu dünnen und flexiblen Solarpaneelen und Bildschirmen. Zudem führte die Projektarbeit zu weiteren Studien über andere 2D-Materialsysteme. DEMONH hat zu einem besseren grundlegenden Verständnis der komplexen elektronischen und optischen Eigenschaften bestimmter Halbleiter- und Hybridmaterialien beigetragen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden in die Struktur und Entwicklung von ultradünnen und flexiblen mehrschichtigen Heterostrukturelementen der nächsten Generation einfließen.
Schlüsselbegriffe
DEMONH, elektronisch, 2D-Materialien, optische Eigenschaften, Hybridmaterialien, optoelektronisch, Graphen, konjugierte Polymere, mehrschichtige Heterostruktur
