Struktur und Eigenschaften in modifizierten 2D Materialien

Die Vielfalt in den bekannten niedrigdimensionalen Materialien mit ihren faszinierenden Eigenschaften und vielseitigem Anwendungspotenzial ist in den letzten Jahren explosiv angewachsen. Für dieses Proposal liegt der Fokus auf zweidimensionalen Materialien, insbesondere Graphene und in gleichem Maße andere 2 D Materialien wie Molybdendisulfid, Niobdiselenid, hexagonales Bornitrid, Mono-lagen Bismuth Strontium Calcium Kupferoxid (BSCCO) und verwandte Systeme. Im Idealfall zeigen viele dieser Materialien einzigartige elektronische, mechanische, chemische oder thermische Eigenschaften. Jedoch sind Modifikationen, wie z.B. Dotierungen, Amorphisierung, Funktionalisierung, oder Kombinationen (Heterostrukturen) dieser Materialien notwendig um die Eigenschaften zu justieren, aktive Bereiche zu definieren, sie zu strukturieren, in elektronischen Schaltkreisen zu kombinieren; z.T. sind diese Veränderungen aber auch unvermeidbar in der Synthese oder Prozessierung. Weiterhin kann man durch Modifikation der vorhandenen 2-D Strukturen auch neue 2-D Materialien herstellen, zu denen es keine entsprechenden 3-D Systeme gibt. Das Ziel dieses Projekts sind maßgebliche Fortschritte im Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften auf atomarer Ebene, sowie in der atomar kontrollierten Modifikation der Materialien. Zu diesem Zweck werden mehrere ortsaufgelöste Methoden kombiniert, um sowohl strukturelle als auch elektronische oder mechanische Eigenschaften auf der atomaren Skala von einzelnen Defekten, funktionellen Gruppen, Dotierungen oder Adsorbaten zu ermitteln. Mit Hilfe von atomar fokussierten Elektronenstrahlen untersuchen wir Material- Modifikationen wie z.B. die Erzeugung von Fehlstellen, Einbringung von Dotierungen, oder die Strukturierung von Defekten in vorgegebenen Mustern. An denselben Strukturen werden wir mittels Elektronen- Energieverlustspektroskopie, Analyse von Ladungsverschiebungen in hochauflösenden Transmissions- Elektronenmikroskopie-Bildern, sowie Raster-Tunnelmikroskopie und -spektroskopie die elektronischen, optischen und mechanischen Eigenschaften einzelner Modifikationen lokal zu untersuchen. Insgesamt wird dieses Projekt neue Wege zu gezielten Modifikation von 2D Materialien eröffnen sowie das Verständnis im Zusammenhang von Struktur und anderen Eigenschaften deutlich erweitern.

In diesem Projekt haben wir Modifikationen von 2D Materialien auf der atomaren Ebene untersucht. Dabei wurden einzelne Atome aus dem Kristallgitter herausgelöst, einzelne Fremdatome eingebracht, oder die Ausrichtung einzelner Bindungen verändert ohne die Zahl der Atome zu verändern. Die direkte Beobachtung dieser Strukturen auf atomarer Ebene ist erst seit kurzem durch neue Entwicklungen in der Elektronenmikroskopie ermöglicht worden. Dabei kann insbesondere auch die Dynamik der Strukturen beobachtet werden. Im Rahmen des Projekts konnte beispielsweise die Diffusion einer Fehlstelle mit zwei fehlenden Atomen in Graphene über viele Schritte verfolgt werden (Nat. Commun., 5, 3991 (2014), http://dx.doi.org/10.1038/ncomms4991), ein Verständnis für die Verschiebung von Silizium- Fremdatomen in Graphene wurde erreicht (Phys. Rev. Lett., 113, 115501 (2014), http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.115501), und sogardie Bildung von zweidimensionalen Siliziumkarbid konnte als Video aufgezeichnet werden (Scientific reports 7, 4399 (2017) http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-04683-9). Die dabei entstandenen 2D- Siliziumkarbid-Proben sind allerdings sehr klein sie bestehen aus nur ca. 10 Atomen. Weiterhin wurden Hybridsysteme untersucht, die aus mehreren niedrigdimensionalen Materialien bestehen: Eine einzelne Atomlage Kohlenstoff (=Graphene) zusammen mit einer einzelnen Atomlage aus Bornitrid beispielsweise bleibt nicht strikt zweidimensional, sondern biegt sich aus der Ebene heraus und bildet eine gewellte Struktur (Nano Letters 17, 1409 (2017) http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b04360). In einer Sandwich-Struktur aus Graphene und Fullerenen lässt sich die Diffusion einzelner Fullerene beobachten, und sogar deren Rotation nachweisen diese Rotation wird aber blockiert, wenn die Fullerene unter längerer Elektronenbestrahlung zu größeren Objekten verschmelzen (Science Advances 3, e1700176 (2017) http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1700176). Das Graphen-Sandwich stellt hierbei eine Nano-Reaktionskammerdar, mitdermolekulare Dynamik im Transmissions- Elektronenmikroskop durch die Graphen-Fenster hindurch beobachtet werden kann. Es ist zu erwarten, dass diese Arbeit auch vielfältige neue Möglichkeiten zur Studie von anderen molekularen Systemen im zweidimensionalen Zwischenraum zweier Graphen-Membranen ermöglicht.