Forschung an niedrigdeimensonalen Materialien

Prof. Dr. Jannik C. Meyer
Gruppenleiter Advanced Materials

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Nanostrukturierung und Stapelung von 2D Materialien werden kombiniert, um neuartige 3D Strukturen zu erzeugen.

Zweidimensionale Materialien lassen sich in beliebiger Reihenfolge aufeinanderstapeln. Da jede Ebene nur ein oder wenige Atome dick ist, ergibt sich durch das Aufeinanderstapeln eine Kontrolle über die Materialstruktur entlang einer Dimension mit nahezu atomarer Auflösung. Außerdem lassen sich isolierte, freitragend aufgehängte 2D Materialien mit sehr hoher Auflösung mittels fokussierter Elektronen- oder Ionenstrahlung strukturieren.

Wir kombinieren die Möglichkeiten zur Strukturierung von 2D Materialien mittels fokussierter Elektronen- und Ionenstrahlung mit der Zusammensetzung von einzelnen Atomlagen in Heterostrukturen. Wenn dies passgenau gelingt, können auf diese Weise neuartige 3D Strukturen mit einer Auflösung im Nanometerbereich erzeugt werden. Darüber hinaus werden auch andere Materialien, wie z.B. molekulare Schichten oder reaktive Metalle, zwischen 2D Materialien eingebettet. Durch den Einschluss in 2D Materialien können wir Strukturen im Elektronenmikroskop untersuchen, die mit herkömmlichen Probenträgern nicht kompatibel sind.

Bei niedrigdimensionalen Materialien wie z. B. Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Graphenen oder anderen 2D Materialien liegen praktisch alle Atome an der Oberfläche und sind somit von außen für die Adsorption und Desorption von Gasen zugänglich. Die Porosität und das Oberfläche-zu-Volumen Verhältnis in diesen Materialien kann daher extrem groß sein. Da die Oberflächen dieser Materialien jedoch normalerweise sehr inert sind, müssen für eine Nutzung dieser Eigenschaften funktionelle Gruppen eingefügt werden. Durch Ionenbestrahlung mit niedriger Energie bringen wir Defekte in die Materialien ein oder fügen Fremdatome als Dotierungen in die Struktur ein. Diese strukturellen Modifikationen werden durch atomar aufgelöste Elektronenmikroskopie verifiziert und iterativ optimiert.

Mit Hilfe der aberrationskorrigierten Transmissions-Elektronenmikroskopie oder Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie lassen sich im Prinzip alle atomaren Abstände auflösen. Atomar aufgelöste Elektronenmikroskopie sollte aber idealerweise nicht nur die Position der einzelnen Atome liefern, sondern auch ihre chemische Identität. Dafür wird üblicherweise eine spektroskopische Analyse verwendet, bei der nur ein einzelnes Atom oder eine einzelne Atomsäule vom Elektronenstrahl angeregt wird. Bei niedrigdimensionalen Materialien ist dies jedoch aufgrund der geringen Stabilität der Probe unter dem Elektronenstrahl eine besondere Herausforderung, da sie oft nicht lange genug still halten, um eine vollständige atomar aufgelöste spektroskopische Analyse durchzuführen. Hier nutzen wir zusätzlich die in der Streuintensität enthaltene Information – vereinfacht gesagt, die Tatsache dass schwerere Atome im Bild auch einen höheren Kontrast haben – um komplexe 2D Strukturen zu analysieren. Zu diesem Zweck werden Bildsimulationen so lange automatisch angepasst, bis nicht nur die Form der Atome, sondern auch der Kontrast mit den experimentellen Daten übereinstimmt.