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Zweidimensionalen Materialien beim Wachsen zusehen

Atomar dünne Kristalle werden in Zukunft eine immer größere Rolle spielen – aber wie genau lässt sich der Kristallisationsprozess steuern? Forscher/innen von der JOANNEUM RESEARCH und der TU Wien entwickeln eine neue Methode, die neue Möglichkeiten eröffnet.

Vor und nach der Kristallisierung (c) JOANNEUM RESEARCH

Wie entstehen die dünnsten Strukturen, die es gibt? Als "zweidimensionale Materialien" bezeichnet man Kristalle, die nur aus einer oder wenigen Schichten von Atomen bestehen. Sie zeigen oft ungewöhnliche Eigenschaften, die viele neue Anwendungen in Optoelektronik und Energietechnik versprechen. Eines dieser Materialien ist 2D-Molybdändisulfid, eine atomar dünne Schicht aus Molybdän- und Schwefelatomen.

Die Herstellung solcher ultradünnen Kristalle ist schwierig und hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Bisherige Verfahren lieferten unterschiedliche Ergebnisse, ohne dass man die Gründe dafür genau erklären konnte. Durch eine neue Methode, die von Forschungsteams der TU Wien, der JOANNEUM RESEARCH und der Universität Wien entwickelt wurde, ist es nun erstmals möglich, den Kristallisationsprozess unter dem Elektronenmikroskop direkt zu beobachten. Diese Methode wurde nun im Fachjournal "ACS nano" präsentiert. Neben dem Erstautor Dr. Bernhard C. Bayer vom Institut für Materialchemie der TU Wien arbeiteten Priv. Doz. Mag. Dr. Reinhard Kaindl und DI Dr. Wolfgang Waldhauser vom Institut MATERIALS maßgebend an der Entwicklung dieser Methode mit.

Dabei wird zuerst Molybdän und Schwefel ungeordnet auf eine Membran aus Graphen aufgebracht. Die zufällig angeordneten Molybdän- und Schwefelatome werden dann unter dem Elektronenmikroskop mit einem feinen Elektronenstrahl zur Kristallisation gebracht, und denselben Elektronenstrahl kann man gleichzeitig auch verwenden, um den Prozess abzubilden.  So wurde es erstmals möglich, direkt zu beobachten, wie sich die Atome während des Wachstums der nur zwei Atomlagen dünnen Schichten bewegen und umordnen. Bayer, Kaindl, Waldhauser, und deren Teams stellten fest, dass die thermodynamisch stabilste Konfiguration nicht unbedingt immer der Endzustand sein muss. Es handelt sich um einen komplizierten, dynamischen Prozess. Die neuen Erkenntnisse werden dazu beitragen, in Zukunft die Struktur der 2D-Materialen genauer an Anwendungsanforderungen anzupassen, in dem man gezielt in diese Umordnungsprozesse eingreift.

Die beschriebene Forschung wurde durch FFG, FWF und die Europäische Kommission gefördert.

Kontakt: Priv. Doz. Mag. Dr. Reinhard Kaindl