Atomkristalle in 2D

Freistehende zweidimensionale Atomkristalle lassen sich einfach herstellen und sind überraschend stabil.

Für die physikalischen Eigenschaften einer Materialprobe ist es oft entscheidend, welche räumliche Dimension sie hat: d = 0, 1, 2 oder 3. Eine Substanz, die als dreidimensionaler Kristall z. B. ein elektrischer Leiter ist, kann als quasi-eindimensionaler Nanodraht ein Halbleiter sein. Neben drei- und eindimensionalen Kristallen hat man auch quasi-nulldimensionale Objekte wie Quantenpunkte oder Fullerenmoleküle intensiv untersucht.

Über perfekte zweidimensionale Kristalle weiß man hingegen nur sehr wenig, weil freistehende monoatomare Schichten häufig instabil sind und schnell zerfallen. Bringt man sie zur Stabilisierung auf ein Trägermaterial, so passen sie sich oftmals dessen Kristallstruktur an und verändern ihre Eigenschaften. Mehr Erfolg hat man mit geschichteten Materialien wie Graphit. Bei ihnen treten in den Schichtebenen starke chemische Bindungen auf, zwischen den Ebenen hingegen nur schwache van der Waals-Kräfte. Von solchen Materialen lassen sich dünne Schichten abblättern oder abspalten, die einige zehn bis hunderte Atomlagen dick sind.

Im vergangenen Jahr ist es Andrei Geim von der University of Manchester und seinen Mitarbeitern gelungen, zweidimensionale monokristalline Graphitschichten herzustellen, die nur wenige Atomlagen dick waren. Mit diesen Schichten, deren elektrische Leitfähigkeit sich mit einer Gate-Spannung verändern lässt, könnte man neuartige Feldeffekttransistoren bauen. Jetzt haben die Forscher aus unterschiedlichen Substanzen (u. a. Bornitrid, Graphit, MoS ₂, NbSe ₂ und dem Hochtemperatursupraleiter Bi ₂Sr ₂CaCu ₂O _x) eine Reihe von zweidimensionalen Atomkristallen hergestellt, die nur noch eine Atomlage dünn waren.

Die zweidimensionalen Kristalle ließen sich verblüffend einfach herstellen. Die Forscher rieben die frische Oberfläche eines geschichteten (dreidimensionalen) Kristalls gegen eine andere Oberfläche. Dabei lösten sich zahllose mikroskopisch kleine Schuppen von unterschiedlicher Dicke ab. Zu ihrer Überraschung fanden die Wissenschaftler unter den Schuppen stets auch solche, die nur aus einer Atomlage bestanden. Wurden die Schuppen auf einen oxidierten Siliziumwafer gebracht und unter dem Lichtmikroskop betrachtet, dann verrieten sich die monoatomaren Schuppen durch ihre Interferenzfarben.

Als potentielle Kandidaten für zweidimensionale Kristalle wurden die monoatomaren Schuppen genauer untersucht, und zwar mit Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopen sowie mit Rasterelektronen- und hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopen. Es zeigte sich, dass die mikrometergroßen Schuppen tatsächlich monokristallin waren und dieselbe Kristallstruktur hatten, wie die Schichten im dreidimensionalen Kristall der entsprechenden Substanz. Diese zweidimensionalen Kristalle erwiesen sich als überraschend stabil: Auch nach mehreren Wochen unter normalen Umweltbedingungen behielten sie ihre Struktur bei.

Es zeigte sich, dass die zweidimensionalen Kristalle nicht direkt auf der Waferoberfläche auflagen sondern um einige Å erhöht waren, vermutlich weil sich zwischen Wafer und Kristall eine Schicht aus absorbiertem Wasser befand. Bestand ein Kristall aus zwei Atomlagen, dann ließ sich seine Dicke u. U. direkt anhand der elektronenmikroskopischen Aufnahmen bestimmen: Hatte der Kristall eine Falte, dann sah man dort senkrecht zu den beiden Atomlagen, die an dieser Stelle als dunkle nebeneinander liegende Linien erschienen. Bei einer Doppelschicht MoS ₂ betrug ihr Abstand 6,5 Å – und hatte damit denselben Wert wie der Abstand der Atomlagen im dreidimensionalen MoS ₂-Kristall.

Die Forscher untersuchten auch die elektrischen Eigenschaften der zweidimensionalen Kristalle, die sie dazu mit Goldkontakten versahen und in ein Bauelement integrierten, das einem Feldeffekttransistor glich. Sie maßen die elektrische Leitfähigkeit der Kristalle in Abhängigkeit von der angelegten Gate-Spannung. Die zweidimensionalen Bi ₂Sr ₂CaCu ₂O _x-Kristalle erwiesen sich auch bei der höchstmöglichen Gate-Spannung als Isolatoren. Im Gegensatz dazu waren 2d-Kristalle aus Graphit, MoS ₂ oder NbSe ₂ elektrische Leiter und zeigten einen deutlichen Feldeffekt: Ihre Leitfähigkeit war über weite Bereiche proportional zur Gate-Spannung.

Beim NbSe ₂ hing die Leitfähigkeit indes sehr stark von der Dimension ab. Während 3d-Kristalle metallische Leiter sind, erwiesen sich die 2d-Kristalle als halbmetallisch: Die Ladungsträgerkonzentration in den 2d-Kristallen war hundertmal kleiner als die Ladungsträgerkonzentration pro Atomlage in einem 3d-Kristall. Die vielfältigen Eigenschaften und die große Stabilität der zweidimensionalen Kristalle machen sie für technische Anwendungen interessant. Wenn es gelingt, die 2d-Kristalle in großer Menge und Reinheit herzustellen, dann könnten sie ein ähnlicher Hit werden wie die Kohlenstoffnanoröhren.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  K. S. Novoselov et al.: Two-dimensional atomic crystals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10451 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1073/pnas.0502848102
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0503533
• Gruppe von Andre Geim:
  http://grendel.ph.man.ac.uk/index.html
• Institute of Microelectronics Technology in Chernogolovka:
  http://www.ipmt-hpm.ac.ru/
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Weitere Literatur:

• K. S. Novoselov et al.: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666 (2004).
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/306/5696/666
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0410550