Materialdesign neuartiger 2-D Systeme

This project aims to understand and manipulate two-dimensional structures beyond graphene in a pursuit for establishing materials with tailored properties for future applications. The discovery of graphene in 2004 soon lead to the separation of other mono-layers from their conventional layered bulk crystals, e.g., hexagonal boron nitride (h-BN) and molybdenum disulphide (MoS 2 ) with a promise for many more especially in the family of transition metal dichalcogenides. We also recently discovered a novel two- dimensional silica (SiO 2 ) glass structure which grew on a graphene support. Also first controversial reports of silicene a graphene-like two-dimensional silicon structure have been recently published. Several fundamental scientific questions related to this new class of materials are waiting to be answered, but also the prospect of novel applications is enthralling. Overall, the relatively young field of two-dimensional materials is quickly gaining momentum. Our past research among graphene and other carbon nanostructures has highlighted the importance of incorporating atomistic simulations and state-of-the-art atomic resolution microscopy and spectroscopy techniques to obtain complete understanding of these materials and especially ways to manipulate them. Within this project, we plan to extend our previous work to new frontiers including single-layer transition metal dichalcogenides and other novel materials. We further aim at developing post-synthesis methods for controlling the properties of these materials to pave the way for actual applications in future electronics. Our goals can be divided into following broad themes: 1) Study of dynamic morphological modifications in two-dimensional materials to gain control over their atomic structure; 2) Post-synthesis manipulation of these materials by adding foreign atoms and molecules; 3) Assessing the relationship between the actual atomic structure and the mechanical and electronic properties for reproducible manipulation to obtain materials with tailored properties. This project will strengthen the bonds between experiments and theoretical research by allowing an expert on modelling of defects and dynamics of carbon nanomaterials Dr. Jani Kotakoski to join the recently established experimental group of Prof. Jannik C. Meyer at the University of Vienna. This project will incorporate in the same research group a state-of-the-art electron microscopy setup and atomic-scale understanding of the relevant processes occurring in the microscope to allow University of Vienna to assume a unique position in the highly competitive field of physics of low-dimensional materials. While the team at University of Vienna will significantly benefit from the additional expertise, this project also allows Dr. Kotakoski to strengthen his knowledge on the experimental methods including sample growth and preparation, electron microscopy as well as engineering. Overall, the project will have a significant impact both on personal level for the involved researchers as well as more broadly on the Austrian excellence and visibility in research topics involving low-dimensional materials and development of nanoelectronics.

Eine Redensart unter Materialwissenschaftern lautet: Kristalle sind wie Menschen es sind ihre Fehler, die sie interessant machen. Der Hauptgrund dafür liegt in den veränderten Materialeigenschaften, welche durch die Anwesenheit von Unregelmäßigkeiten in der Atomstruktur entstehen. In diesem Projekt haben wir Defekte in zweidimensionalen Materialien untersucht. Diese bilden eine neue Materialklasse, welche aus nur einer Atomlage bestehen. Durch gezieltes Einbringen von Defekten kann man die Eigenschaften dieser Materialien kontrollieren, welche dann in zukünftigen Anwendungen, wie z.B. nanometer-große elektrische Bauteile, verwendet werden können.Das gezielte Einbringen von Defekten wurde in unserem Projekt durch den Beschuss mit geladenen Teilchen erreicht. Dabei durchdringen energiereiche Partikel, wie z.B. Ionen oder Elektronen, das zu bearbeitende Material und verändern dabei die atomare Struktur. Für das Bestrahlen mit Elektronen wurde ein neuartiges Rastertransmissionselektronenmikroskop (Nion UltraSTEM 100) verwendet, welches vor kurzem an der Universität Wien in Betrieb genommen wurde. Das Bestrahlen mit Ionen fand bei unseren internationalen Partnern in Deutschland, Finnland und Israel statt.In dem Projekt konnten wir Bedingungen zum Transformieren der Kristallstruktur von Graphen, welches aus einer Bienenwaben-ähnlichen Struktur aus Kohlstoffatomen besteht, in ein amorphes Netzwerk, sowohl für Elektronen- als auch für Ionenbestrahlung finden. Der Übergang zu dem amorphen Netzwerk ähnelt in gewisser Weise dem Übergang einer geordneten Struktur in ein mosaikartiges Muster. Da diese gezielten Veränderungen mit sehr hoher Genauigkeit auf ausgewählte Bereiche beschränkt werden kann, bieten diese Methoden vielversprechende Möglichkeiten zur Erzeugung nanometergroßer elektronischer Bauteile, welche nur aus Kohlenstoffatomen bestehen. Zusätzlich haben wir Defekte in 2D- Materialien untersucht, die nicht aus Kohlenstoffatomen bestehen und konnten auch erstmalig die Diffusion eines Defektes mit atomarer Auflösung verfolgen, sowie weitere bedeutende Beiträge auf unterschiedlichen Gebieten der Mikroskopie von 2D-Strukturen liefern.