Eigenschaften von 2D-Materialien auf Nanometerskala verändern

Alle Materialien haben ihre speziellen Eigenschaften – sie können zum Beispiel isolierend, halbleitend, metallisch, transparent oder flexibel sein. Einige kombinieren mehrere sehr nützliche Eigenschaften, was bei 2D-Materialien der Fall ist. Diese Materialien bestehen aus nur einer oder wenigen Schichten von Atomen und sind sehr vielversprechend für die Herstellung von elektronischen und optoelektronischen Geräten der nächsten Generation.

«Auf unserem Gebiet ist Silizium immer noch König. Aber es stösst bei einigen elektronischen Geräten an seine Grenzen, etwa bei solchen, die flexibel oder transparent sein müssen. 2D-Materialien könnten eine gangbare Alternative sein», sagt Jürgen Brugger, Professor und Leiter des Labors für Mikrosysteme 1 an der Fakultät Ingenieurwissenschaft und Technologie der EPFL.

Anpassen von Eigenschaften für bestimmte Anwendungen

Bevor 2D-Materialien verwendet werden können, müssen sie strukturiert werden, was bedeutet, dass sie auf die richtige Grösse und Form für die jeweilige Anwendung zugeschnitten werden müssen. Auch ihre physikalischen Eigenschaften (wie z.B. die Bandlücke) müssen angepasst werden, sowohl im gesamten Material als auch an bestimmten Stellen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Mikrosystemlabors 1 haben in Zusammenarbeit mit der ETH Zürich und IBM eine neue Methode entwickelt, um die Eigenschaften dieser Materialien zu verändern.

Verformung von Materialien mit einer nanometrischen Spitze

Das Forschungsteam benutzte die thermische Rastersondenlithographie (t-SPL), bei der eine erhitzte nanometrische Spitze auf das Material gesetzt und Druck ausgeübt wird, um die gewünschte Form – in diesem Fall eine Wellenform – zu erzeugen, während Kraft und Temperatur sorgfältig kontrolliert werden. «Es gibt bereits mehrere Methoden zur globalen und lokalen Verformung von 2D-Materialien. Aber unser thermo-mechanischer Ansatz kann grössere Verformungen und damit grössere Variationen in den physikalischen Eigenschaften eines Materials erzeugen», sagt Ana Conde-Rubio, Wissenschaftlerin am Labor der EPFL. Genauer gesagt kann die neue Methode die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband verändern und damit die elektronischen und optischen Eigenschaften des Materials verändern. Diese Änderung der Bandlücke kann lokal mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 20 Nanometern erfolgen.

Ein einziges Werkzeug zum Schneiden und Modifizieren von 2D-Materialien

Die Forschenden hatten bereits eine Methode entwickelt, um 2D-Materialien mit hoher Präzision zu schneiden. Nun wollen sie diese mit ihrer neuen Methode zur Veränderung der Materialeigenschaften kombinieren. «Mit dem gleichen Werkzeug, dem t-SPL, werden wir in der Lage sein, Geräte mit der gewünschten Form, den gewünschten Dimensionen und physikalischen Eigenschaften herzustellen, mit einer Auflösung bis hinunter zur 10-Nanometer-Skala», sagt Xia Liu, eine weitere Wissenschaftlerin in Bruggers Labor. Die Ergebnisse des Teams wurden veröffentlicht in Nano Letters.

Ihre Arbeit ist Teil eines grösseren Forschungsprojekts zur Entwicklung neuer Verfahren zur Herstellung und Modifizierung von Polymermaterialien für Wearables und Implantate. Ziel ist es, den Übergang vom Labor- zum Industriemassstab für die Produktion von Geräten der nächsten Generation zu ermöglichen.

Eine erhitzte nanometrische Spitze verformt das Material, um seine Eigenschaften zu verändern. © Samuel Howell, CC-BY 4.0