In-situ Untersuchungen von geschichteten heterogenen Nanostrukturen

Österreichischer PI: Prof. Jani Kotakoski Koreanischer PI: Prof. Sang Wook Lee In der Natur existieren Materialien welche, vergleichbar mit einem Stapel Papier, ebenfalls eine Schichtstruktur besitzen. Der bekannteste Vertreter solcher Materialien ist Graphit, welcher aus einzelnen Lagen von Kohlenstoffatomen, angeordnet in einer wabenförmigen Struktur, aufgebaut ist. Erst vor ungefähr 10 Jahren konnte gezeigt werden, dass solche Kohlenstofflagen auch einzeln, also ohne angrenzende Schichten, existieren können. Dieses, nur aus einer Atomlage Kohlenstoff bestehende Material, mit dem Namen Graphen, ist zusammen mit anderen ähnlichen Materialien seit seiner Entdeckung im Fokus der wissenschaftlichen Forschung. Solche monolagigen Materialien lassen sich auch in zylindrischen Strukturen, den Nanoröhrchen, sowie anderen quasi eindimensionalen Strukturen herstellen und besitzen ebenfalls sehr interessante Eigenschaften. Seit den letzten Jahren wurden zunehmend auch komplexere Strukturen untersucht, welche sich durch Kombination von unterschiedlichen ein- und zweidimensionalen Materialien, wie Graphene und Nanoröhrchen, formen lassen. In diesem Projekt starten wir eine Kooperation von zwei Forschergruppen um die Eigenschaften solcher kombinierter Strukturen auf atomarer Ebenen zu untersuchen. Der koreanische Forschungspartner ist Experte in der hochpräzisen Erzeugung dieser Strukturen sowie Werkzeugen zur Modifikation dieser Materialien. Die österreichische Forschungsgruppe ist Experte auf dem Gebiet der atomar-aufgelösten Mikroskopie von solchen Strukturen und deren strukturellen Defekten. Die Synergie der beiden Schwerpunkte bringt das Verständnis dieser neuen Materialklasse auf eine neue Stufe und kann den Weg für Anwendungen in Bereichen der Nanoelektronik, Thermoelektrik sowie anderen Gebieten ebnen.

In diesem internationalen Projekt wurden gemeinsam mit einem koreanischen und einem österreichischen Forschungspartner die Eigenschaften von niedrigdimensionalen Materialien und ihren Heterostrukturen unter externer Störung untersucht. Die wichtigsten Erkenntnisse betrafen die Veränderungen der atomaren Struktur aufgrund von Grenzflächeneffekten und äußerer Manipulation sowie die Möglichkeiten, diese zu kontrollieren. Seit der Entdeckung von Graphen, einem ein Atom dicken, aus Kohlenstoffatomen bestehenden Material, 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 in der Regel in gestapelter Form vor, vergleichbar mit einem Stapel Papier oder ähnlich wie Graphit - das Material, das als "Mine" eines Bleistifts bekannt ist - das aus mehreren Graphenschichten besteht. Das große Interesse an diesen Materialien rührt unter anderem daher, dass sich viele ihrer Eigenschaften von denen normaler Materialien unterscheiden, da die Elektronen quantenmechanisch auf zwei Dimensionen beschränkt sind, was zu vielen einzigartigen Eigenschaften führt, die in Anwendungen genutzt werden können. Neben 2D-Materialien weisen auch Strukturen mit zwei begrenzten Dimensionen, wie Kohlenstoffnanoröhrchen, die man sich als aufgerollte Graphenschichten vorstellen kann, ähnlich interessante Eigenschaften auf. Eine Möglichkeit, die verfügbaren Eigenschaften zu erweitern, besteht darin, mehrere verschiedene 2D-Materialien übereinander zu legen, analog zu einem Papierstapel aus verschiedenfarbigen Blättern, die jeweils aus einem einfarbigen Stapel stammen. Obwohl es solche Strukturen bereits seit einiger Zeit gibt, wurden detaillierte Studien über den Einfluss der verschiedenen Materialien aufeinander noch nicht durchgeführt. Weiterhin wurde bisher in vielen Fällen weder die Reaktion der einzelnen Materialien noch der gestapelten Strukturen auf äußere Reize untersucht. Dies ist wichtig, weil solche Stimuli in realen Anwendungen auftreten werden und weil ein umfassendes Verständnis ihrer Einflüsse eine gezielte Anpassung der Eigenschaften für besonders anspruchsvolle Anwendungen ermöglichen kann. Die Ergebnisse des Projekts haben wesentlich zu unserem Verständnis des Einflusses von Elektronen- und Ionenbestrahlung, Erhitzung und mechanischer Manipulation bei vielen Materialien beigetragen, darunter Graphen, Molybdändisulfit, Molybdänditellurit, Indiumoxid und eine neue zweidimensionale Kupfer-Gold-Struktur sowie deren Heterostrukturen. Im Rahmen des Projekts wurde ebenfalls entdeckt, dass Graphen als Hochtemperaturträgermaterial für Mikroskopiestudien mit atomarer Auflösung mit anderen Materialien verwendet werden kann. Es ist zu erwarten, dass all diese Ergebnisse neue Wege für die Herstellung von Materialien ebnen werden, wodurch der Bau von Geräten mit derzeit nicht verfügbaren Fähigkeiten ermöglicht werden wird.