Pseudodoping von 2D-Materialien

Graphen ist das wohl am besten erforschte zweidimensionale Material. Aber auch andere atomar dünne Materialien aus Bornitrid oder Übergangsmetalldichalkogenide werden hergestellt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Volumenmaterialen befinden sich praktisch alle Atome dieser 2D-Materialien direkt an der Oberfläche. Wissenschaftler versprechen sich hieraus ganz neue Möglichkeiten zum Maßschneidern von Materialeigenschaften. Nun hat das Team um Tim Wehling und Bin Shao vom Institut für Theoretische Physik & Bremen Center for Computational Materials Science der Universität Bremen einen neuen Mechanismus zum Einbringen von Elektronen in ultradünne Materialien entdeckt. Mit diesem Trick könnte es gelingen, neue Nanomaterialien für die Informations- und Energietechnologie zu entwickeln.

Diese Dotierung bildet die Grundlage der gesamten heutigen halbleiterbasierten Informationsverarbeitung oder Photovoltaik. „Um ultradünne 2D-Materialien für Anwendungen nutzbar machen zu können, ist es wichtig diese auch zu dotieren.“, erklärt Wehling. Aber weil 2D-Materialien so dünn sind, werden die Elektronen durch das Einbringen von Fremdatomen stark gestört. Durch diese Unordnungseffekte gehen wünschenswerte Eigenschaften wie hohe Leitfähigkeiten oft verloren. „Der nun entdeckte Dotierungsmechanismus vermeidet die Unordnungsproblematik für 2D-Materialien indem er ausnutzt, dass Elektronen quantenmechanisch an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Fremdatome werden hierbei zur Dotierung gar nicht mehr benötigt. Vielmehr tunneln die Elektronen ständig aus der Umgebung in das 2D-Material hinein und auch wieder heraus“, erläutert Wehling.

Für heutige Anwendungen in der Halbleitertechnik wird deutlich weniger als ein Elektron pro 1000 Materialatome bewegt. Die neue Methode erlaubt nun mehr als hundertfach stärkere Dotierungen. Das kann dazu führen, dass sich das Verhalten der Elektronen fundamental verändert. Es können Effekte wie Supraleitung und auch Ladungsdichtewellen beeinflusst werden. Wehling und Kollegen fokussierten sich auf die Grundlagen eines Materialsystems aus Tantaldisulfid auf einer Goldoberfläche. „Der entdeckte Dotierungsmechanismus sollte aber auch allgemeiner für metallische 2D-Materialien funktionieren und somit langfristig einen breiten technischen Einsatz finden können“, hofft er.

In einem weiteren Schritt wollen die Forscher verstehen wie dieser Effekt ausgenutzt werden kann, um elektronische Eigenschaften von 2D-Materialien insbesondere Supraleitung und Ladungsdichtewellen gezielt zu manipulieren. Letztere stehen vor dem Hintergrund neuartiger Konzepte der Informationsverarbeitung als mögliche Bausteine künstlicher neuronaler Netze im Fokus intensiver Forschungsanstrengungen. Ähnliches gilt für den Bereich der Supraleitung, wo neue Materialien Anwendungen im Bereich des nahezu verlustfreien Stromtransports oder besonders effizienter Elektromotoren ermöglichen könnten.

U. Bremen / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  B. Shao et al.: Pseudodoping of a metallic two-dimensional material by the supporting substrate, Nat. Commun. 10, 180 (2019); DOI: 10.1038/s41467-018-08088-8
• Arbeitsgruppe Tim Wehling, Institut für Theoretische Physik, Universität Bremen