2D-Heterostrukturen mit designten Eigenschaften

Forscher der Univer­sität Straßburg haben in Zusammen­arbeit mit der belgischen Uni­versität Mons, dem Max-Planck-Institut für Polymer­forschung und der Tech­nischen Univer­sität Dresden eine neuartige supra­molekulare Strategie entwickelt, mit deren Hilfe sich einstell­bare 1D-perio­dische Potenziale zur Selbst­organisation von organischen ad hoc-Bausteinen auf Graphen rea­lisieren lassen. Diese öffnen den Weg zur Umsetzung hybrider orga­nisch-anorga­nischer Mehrschicht­materialien mit einzig­artigen elek­tronischen und optischen Eigen­schaften.

Vertikale Stapel unter­schiedlicher zwei­dimensionaler Kristalle wie Graphen oder Bornitrid werden durch schwache Van der Waals-Kräfte zusammen­gehalten. Diese Van der Waals-Hetero­strukturen können als vielseitige Plattform für die Unter­suchung verschiedener Phänomene im Nanometer­bereich verwendet werden. Insbe­sondere erzeugt die mechanische Überlagerung der 2D-Kristalle 2D-periodische Potentiale, die dem System unkonven­tionelle physika­lische und chemische Eigen­schaften verleihen. Nun haben die Forscher einen supra­molekularen Ansatz angewandt, um selbst­organisierende organische Molekül­gitter mit einer kontrol­lierten Geometrie und atomarer Präzision auf Graphen zu bilden, was 1D-perio­dische Poten­tiale in den resul­tierenden organisch-anor­ganischen Hybrid-Hetero­strukturen hervorruft.

Zu diesem Zweck wurden molekulare Bausteine sorgfältig entworfen und synthe­tisiert. Diese sind einer­seits mit einem langen alipha­tischen Schwanz ausge­stattet, der die Selbst­organisation und die Perio­dizität des Potentials steuert, außerdem besitzen sie eine photo­reaktive Diazirin­kopfgruppe, deren Dipol­moment das Oberflächen­potential des darunter liegenden Graphen­blättchens moduliert. Bei Be­strahlung mit ultra­violettem Licht vor der Abscheidung auf Graphen wird die Diazirin­einheit gespalten und eine reaktive Carben-Spezies gebildet. Letztere ist anfällig für die Reaktion mit Lösungs­mittel­molekülen, was zu einer Mischung von neuen Verbin­dungen mit unter­schiedlichen Funktiona­litäten führt.

Mit einem Raster­tunnel­mikroskop wurde die nano­skalierte Anordnung der supra­molekularen Gitter auf Graphit- und Graphen-Ober­flächen charak­terisiert, welche die Perio­dizität und Geometrie der indu­zierten Potenziale bestimmt. Die Graphen-basierten Feldeffekt-Bauelemente wurden dann einer elek­trischen Charak­terisierung unterzogen, um den Effekt von unter­schiedlichen organischen Schichten auf die elek­trischen Eigen­schaften des 2D Materials zu bestimmen. Computer­simulationen erlauben es, die Wechsel­wirkung des molekularen Zusammen­baus mit Graphen zu begreifen. Weiterhin zeigte eine theo­retische Analyse, dass die Effekte der Dotierung gänzlich auf die Anordnung der elektrischen Dipole in den Kopfgruppen zurück­zuführen ist. Schließlich konnte aus einem supra­molekularen Gitter, das nach UV-Bestrahlung des moleku­laren Bausteins in einem anderen Lösungs­mittel hergestellt wurde, ein perio­disches Potential mit der gleichen Geometrie, aber einer anderen Intensität erzeugt werden.

Auf diese Weise konnten die Forscher nachweisen, dass organische supra­molekulare Gitter geeignet sind, um kontrollier­bare 1D-perio­dische Potentiale auf der Oberfläche von Graphen zu erzeugen. Interessanter­weise können Perio­dizität, Ampli­tude und Signatur der induzierten Potentiale vorpro­grammiert und durch sorg­fältiges mole­kulares Design angepasst werden. Dieser supra­molekulare Bottom-up-Ansatz kann erweitert und auf andere anor­ganische 2D-Materialien wie Übergangs­metall-Dichal­kogenide angewendet werden, die den Weg zu komplexeren mehr­schichtigen Van-der-Waals-Hetero­strukturen ebnen. Diese Erkennt­nisse sind von großer Bedeutung für die Realisierung von organisch-anor­ganischen Hybrid­materialien mit kontrollier­baren struk­turellen und elek­tronischen Eigen­schaften mit beispiel­losen elek­trischen, magne­tischen, piezo­elektrischen und optischen Funktiona­litäten.

TU Dresden / JOL