Neues Mikroskop macht unsichtbares 2D-Material sichtbar

Die Materialwissenschaft kennt dünne Schicht­materialien bereits seit über hundert Jahren, doch erst 2004 gelang es erstmals, gezielt 2D-Schichten – nämlich Graphen – im Labor herzu­stellen. Seitdem wurden immer mehr neue 2D-Materialien entwickelt und neuartige Anwen­dungen entstanden. Die dünnen Schichten sind in vielen Zukunfts­techno­logien gefragt, von Elek­tronik und optischen Kompo­nenten bis hin zu Energie­systemen. Daher sind diese faszinie­renden Materialien Gegen­stand umfang­reicher Forschung.

Bornitrid (BN) – auch bekannt als „weißes Graphen“ – ist ein Schichtmaterial, das in verschiedenen Formen vorkommen kann, darunter hexago­nales Bornitrid (hBN). Ähnlich wie Graphen hat hBN eine sechs­eckige Gitter­struktur und seine 2D-Schichten werden in verschie­denen Anwen­dungen einge­setzt, beispiels­weise in der Quanten­optik oder der Infrarot-Nano­photo­nik, oder einfach als Substrat oder Verkap­selungs­material. Für solche Anwen­dungen ist eine genaue Charakte­ri­sierung der hBN-Schichten von entschei­dender Bedeu­tung. Abge­sehen von der ausge­prägten Reso­nanz im mitt­leren Infrarot­bereich ist hBN als Einzel­schicht jedoch über den gesamten nahen Infrarot- und sicht­baren Spektral­bereich trans­pa­rent. Daher kann es nicht mit herkömm­lichen opti­schen Mikro­skopen unter­sucht werden.

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Sensorik mit Nanofokus

Diese Eigenschaft hat bislang die Verwen­dung von hBN bei der Entwick­lung neuer Materi­alien stark einge­schränkt. Um zum Beispiel mögliche Verzer­rungen und Material­grenzen in 2D-Schichten zu identi­fizieren, müssen diese genau abgebildet werden. Darüber hinaus stapeln For­schende Einzel­schichten aus 2D-Materialien über­einander, um van-der-Waals-Struk­turen zu schaffen, die völlig neue und spannende Eigen­schaften aufweisen können. Idealer­weise möchten die Forschenden diese Schichtung live unter dem Mikroskop beobachten, auch um die Ausrich­tung der einzelnen Schichten zu sehen. Die Entwick­lung einer entspre­chenden Technik für hBN ist daher sehr wün­schens­wert.

Das Forschungsteam am Fritz-Haber-Institut hat sich dieser Heraus­forderung gestellt und ent­wickelte ein Mikro­skop, das einen Trick aus der nicht­linearen Optik nutzt, um das ansonsten unsicht­bare hBN sicht­bar zu machen. Bei ihrer Methode, der phasen­aufge­lösten Summen­frequenz­mikro­skopie (sum-frequency gene­ration, SFG), werden zwei Laser­strahlen, einer im mitt­leren Infrarot­bereich und einer im sicht­baren Bereich, gemischt, um ein Summen­frequenz­signal in der zu messenden Probe zu erzeugen. Durch reso­nante Anre­gung einer hBN-Gitter­vibra­tion wird das gemessene Summen­frequenz­signal sehr inten­siv, sodass nicht nur große Proben­flächen von 100 × 100 μm² in weniger als einer Sekunde abge­bildet werden können, sondern sogar die Kristall­orien­tierung sichtbar gemacht werden kann.

Dank ihres neuen Mikroskops konnten die Forschenden zeigen, dass die 2D-Schichten aus hBN, die in drei­eckigen Domänen wachsen, Stickstoff-terminierte Zick­zack­kanten haben. Zudem unter­streicht die beob­ach­tete hohe Nicht­linea­rität im Frequenz­bereich der Schwingungs­resonanz, dass ein­lagiges hBN ein vielver­sprechendes Material für die Frequenz­aufwärts­konver­sion – vom Infra­roten ins sichtbare Licht – in neuen opto­elektro­nischen Bau­elementen ist.

Diese Studie hat Fachwissen mehrerer Forschungsgruppen aus Abteilungen des Fritz-Haber-Instituts sowie internationaler Partner bündelt. Die hBN-Einzel­schichten wurden an der Vander­bilt Univer­sity synthe­ti­siert und anschließend am Fach­bereich Physika­lische Chemie des Fritz-Haber-Instituts mittels Summen­frequenz­mikro­skopie analy­siert. Zur Unter­stützung der Proben­charakteri­sierung  wurden von Kooperations­partnern am Fach­bereich Physik der Freien Univer­sität Berlin Bilder mit  Raster­kraft­mikro­skopie (AFM) aufge­nommen. Schließ­lich konnten dank der Einbe­ziehung des Fach­bereichs Theorie des FHI die kristallo­graphischen Details extra­hiert werden.

Das neu entwickelte Mikroskop bietet klare Vorteile gegenüber anderen beste­henden Methoden. In erster Linie kann es optisch trans­parente Materialien durch optische Mikro­skopie sichtbar machen. Die Mikroskop­bilder haben einen viel höheren Kontrast auf als herkömmliche AFM-Bilder, und die Signal­verstärkung durch die Schwingungs­resonanz ermöglicht eine „Live-Bild­gebung“ von hBN, ein­schließ­lich Online-Informa­tionen über dessen Kristall­orien­tierung. Das neue Mikroskop ermöglicht somit die kontrol­lierte Herstellung von Van-der-Waals-Strukturen. Die Autoren erwarten, dass das neue Mikroskop Verwen­dung finden wird zur nicht-invasiven und markierungs­freien Unter­suchung einer Viel­zahl von gesta­pelten 2D-Materi­alien sowie deren Kombina­tionen mit an­iso­tropen moleku­laren Anordnungen. [FHI / dre]