Gitter über Gitter

Werden eine hauchdünne Graphen- und eine Bornitridschicht leicht verdreht übereinandergelegt, verändern sich dadurch deren elektronische Eigenschaften. Physiker der Universität Basel haben nun erstmals gezeigt, dass eine Verdrehung auch bei einem dreilagigen Sandwich aus Kohlenstoff und Bornitrid zu neuen Materialeigenschaften führt. Das vergrössert den Katalog an möglichen synthetischen Materialien erheblich.

Im letzten Jahr sorgten US-Wissenschaftler für großes Aufsehen. Durch die Verdrehung von zwei übereinander liegenden Graphenlagen um einen magischen Winkel von 1,1 Grad gelang es ihnen, Graphen supraleitend zu machen – ein markantes Beispiel dafür, dass völlig neue elektronische Eigenschaften entstehen können, wenn hauchdünne Materialien miteinander kombiniert werden.

Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel haben dieses Konzept nun einen Schritt weiterentwickelt. Sie verpackten eine Schicht Graphen zwischen zwei Bornitrid-Schichten, was häufig gemacht wird, um die empfindliche Kohlenstoffstruktur zu schützen. Dabei richteten sie die Schichten sehr genau am Kristallgitter des Graphens aus.

Den Effekt, den die Physiker um Christian Schönenberger beobachteten, kennt man als Moiré-Effekt: Werden zwei regelmäßige Muster übereinandergelegt, entsteht ein neues Muster mit einem größeren Raster. Die Bildung solcher Übergitter beobachtete auch Lujun Wang, Mitglied der SNI-Doktorandenschule aus dem Schönenberger-Team, als er Lagen aus Bornitrid und Graphen miteinander kombinierte. In allen Schichten sind die Atome sechseckig angeordnet. Werden sie aufeinander gelegt, entstehen größere regelmäßige Muster, deren Größe vom Winkel zwischen den Schichten abhängt.

Bekannt war bisher, dass dies mit einer zweilagigen Kombination aus Graphen und Bornitrid funktioniert, jedoch ist es bisher nicht gelungen, Effekte einer zweiten Bornitridschicht zu finden.

Beim Experiment der Basler Physiker mit drei Lagen formten sich zum einen zwei Übergitter, die zwischen der Graphenschicht und der oberen beziehungsweise unteren Lage Bornitrid entstanden. Zum anderen entstand durch die Überlagerung aller drei Schichten eine noch wesentlich größere Überstruktur. Für die Wissenschaft sind derartige synthetische Materialien von großem Interesse, da sich mit den unterschiedlichen Moiré-Mustern auch die elektrischen Eigenschaften des Materials ändern bzw. künstlich erzeugen lassen.

„Vereinfacht gesagt bestimmen die atomaren Muster das Verhalten der Elektronen in einem Material, und wir kombinieren verschiedene solcher natürlichen Muster zu neuen synthetischen Materialien“, erklärt Andreas Baumgartner, der die Arbeit betreut hat. „Nun haben wir in solchen maßgeschneiderten elektronischen Bauteilen Effekte gefunden, die sehr gut zu Mustern aus drei Lagen passen“, fügt er hinzu.

U. Basel