Die Herstellung großer, sauberer 2D-Materialien ist ganz einfach: einfach KISS

01. Juni 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Seit der Entdeckung der zweidimensionalen Form von Graphit (genannt Graphen) vor fast zwanzig Jahren, Interesse an 2D-Materialien mit ihren besonderen physikalischen Eigenschaften ist sprunghaft angestiegen. Bekanntermaßen wurde Graphen durch Abblättern von Massengraphit mithilfe von Klebeband hergestellt. Obwohl es für einen Nobelpreis reichte, hat diese Methode ihre Nachteile. Ein internationales Team von Oberflächenwissenschaftlern hat nun eine einfache Methode entwickelt, um große und sehr saubere 2D-Proben aus verschiedenen Materialien unter Verwendung von drei verschiedenen Substraten herzustellen.
Ihre Methode, kinetisch In der Zeitschrift wurde die In-situ-Einzelschichtsynthese (KISS) beschrieben Fortgeschrittene Wissenschaft („In-situ-Peeling-Methode großflächiger 2D-Materialien“). Künstlerische Darstellung des KISS-Peeling- und Photoemissionsexperiments. 2D-Material wird aufgrund der stärkeren Wechselwirkung mit dem Substrat vom Mutterkristall getrennt. UV-Licht wird zur Photoemission von Elektronen verwendet, was Untersuchungen der elektronischen Struktur durch direkte Abbildung der elektronischen Bänder ermöglicht, wie im Hintergrund zu sehen ist. (Bild: Antonija Grubišić-Čabo und Dina Maniar, Universität Groningen)
2D-Materialien haben physikalische Eigenschaften, die Massenmaterialien nicht haben. Ein Grund dafür ist die Beschränkung der Ladungsträger. Es gibt zwei Möglichkeiten, diese 2D-Materialien herzustellen: das Abblättern eines größeren Kristalls oder das Züchten einer 2D-Schicht. Beim Peeling werden Schichten von einem größeren Kristall abgezogen, bis nur noch eine Schicht übrig ist.
„Dieser Prozess ist zeitaufwändig und erfordert spezielle Fähigkeiten und Ausrüstung“, sagt Antonija Grubišić-Čabo, Oberflächenwissenschaftlerin an der Universität Groningen (Niederlande) und Erstautorin des Buches Fortgeschrittene Wissenschaft Papier. „Außerdem entstehen oft sehr kleine Flocken, während das verwendete Klebeband Polymere auf der Oberfläche hinterlassen kann.“
Ein weiterer Ansatz ist die Erweiterung von 2D-Filmen. Dies ermöglicht die Herstellung großer Proben unter kontrollierten Bedingungen. „Allerdings nimmt es oft viel Zeit in Anspruch, herauszufinden, wie man solche 2D-Materialien wachsen lässt.“ Und der Prozess führt nicht immer zu einer perfekten Schicht“, sagt Grubišić-Čabo. Zusammen mit dem letzten Autor Maciej Dendzik stellte sie ein „Traumteam“ aus Kollegen zusammen, von denen viele zuvor als Doktoranden an der Universität Aarhus (Dänemark) zusammengearbeitet hatten, um eine einfache Technik zur Herstellung von 2D-Materialien zu entwickeln.
„Wir wussten von einigen Experimenten, bei denen Goldfilme zum Ablösen von Massenmaterial verwendet wurden.“ Diese wurden jedoch hauptsächlich in Luft durchgeführt, was bedeutet, dass diese Technik für luftempfindliche Materialien oder für die oberflächenwissenschaftliche Forschung nicht sehr geeignet ist.“ Das Team wollte eine Technik, die die Herstellung luftempfindlicher 2D-Materialien auf einer Reihe von Substraten ermöglichen würde. Bei ihrem ersten Versuch verwendeten sie einen Goldkristall in einer Hochvakuumkammer. „Wir haben den Kristall im Prinzip auf Massenmaterial geschleudert und dabei herausgefunden, dass eine schöne zweidimensionale Schicht am Gold haftete.“ Warum dies geschieht, ist noch nicht klar, aber das Team vermutet, dass die Bindung mit dem Gold stärker ist als die Van-der-Waals-Kraft, die die Schichten im Volumenkristall zusammenhält. Dieses Bild zeigt den Aufbau für die kinetische In-situ-Einzelschichtsynthese (KISS). Das Schüttgut wird auf einen Probenhalter mit Feder zur Regulierung des Aufpralls gelegt (gelber Pfeil). Anschließend wird es gegen den Goldkristall (den etwas helleren Ring unter dem blauen Pfeil) gedrückt. Nach der Freigabe wird eine 2D-Schicht auf dem Goldsubstrat angebracht. (Bild: Antonija Grubišić-Čabo, Universität Groningen)
Sie haben auf diesem ersten Experiment aufgebaut und der Bühne mit dem Schüttgut eine Feder hinzugefügt, die als Stoßdämpfer fungiert und so eine bessere Kontrolle über den Aufprall des Goldkristalls ermöglicht. Darüber hinaus zeigte das Team, dass sowohl Silber als auch der Halbleiter Germanium als Substrat zum Ablösen von 2D-Materialien verwendet werden können.
„Goldkristalle sind ein Standardbestandteil in Laboren für Oberflächenwissenschaften, wo sie beispielsweise zur Kalibrierung von Instrumenten verwendet werden.“ „Wissenschaftler beschädigen diese Kristalle nicht gerne, aber das ist bei diesen Experimenten nicht passiert“, sagt Grubišić-Čabo. „Und seitdem haben wir das Protokoll geändert, um einkristalline Golddünnfilme zu verwenden.“ „Das hat den zusätzlichen Vorteil, dass wir das Gold auflösen können, sodass wir die 2D-Probe isolieren können, solange sie in Luft oder Flüssigkeit stabil ist.“
Diese isolierten Proben können für die nächste Stufe verwendet werden: den Bau von Geräten aus den 2D-Materialien, die mit der KISS-Technik hergestellt werden. „Das ist noch nicht möglich, aber wir arbeiten daran“, sagt Grubišić-Čabo. „Was wir also haben, ist eine Technik, mit der wir auf sehr einfache Weise sehr saubere, große 2D-Proben herstellen können, die es uns ermöglicht, luftempfindliche 2D-Materialien herzustellen.“ Darüber hinaus nutzt unsere Technik Standardausrüstung, die in praktisch jedem Labor für Oberflächenwissenschaften vorhanden ist.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63092.php