2D-Materialien

2D-Materialien sind kristalline Materialien, die aus nur einer Lage von Atomen oder Molekülen bestehen. Aufgrund ungewöhnlicher Eigenschaften sind sie Gegenstand umfangreicher (Grundlagen-)Forschungen.

Modell des 2D-Materials Graphen

Allgemein können 2D-Materialien entweder als zweidimensionale Allotrope unterschiedlicher Elemente oder als Verbindung verschiedener Elemente mit kovalenter Bindung angesehen werden. Elementare 2D-Materialien bekommen im Allgemeinen die Endung -en (englisch -ene), während Verbindungsmaterialien die Endung -an oder -id (englisch -ane oder ide) haben.

Geschichte

2D-Materialien sind seit über hundert Jahren bekannt, z. B. in Form des Graphens als 2-dimensionaler Kohlenstoff. 2004 gelang es Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester die ersten zweidimensionalen Kristalle aus Kohlenstoffatomen herzustellen (Graphen), eine Entdeckung, für die sie im Jahr 2010 den Nobelpreis für Physik „für grundlegende Experimente mit dem zweidimensionalen Material Graphen“ erhielten.

Weltweit wurden infolgedessen umfangreiche Forschungen zu weiteren 2D-Materielien angestoßen. Da 2D-Materialien aus einer einzelnen Lage, aber auch aus zwei oder mehr Lagen bestehen können, stellt sich die Frage, ab wie viel Lagen man nicht mehr von z. B. Graphen, sondern Graphit sprechen muss. Deshalb sind international die Begriffe und Definitionen der 2D-Materialien in dem Standard ISO/TS 80004-13:2017 festgelegt.

Allotrope 2D-Materialien

Typische wellenförmige Struktur einer Silicen-Schicht

Beispiele für elementare Allotrope:

• Kohlenstoff: Graphen
• Bor: Borophen
• Gallium: Gallenen
• Germanium: Germanen
• Silicium: Silicen
• Zinn: Stanen

Auch von Metalllegierungen sind zweidimensionale Strukturen bekannt.

2D-Verbindungs-Materialien

Beispiele für 2D-Verbindungs-Materialien:

• Graphan (ein zweidimensionales Polymer aus Kohlenstoff und Wasserstoff)
• Boronitren (Nanomesh – zweidimensionales Bornitrid, auch englisch White Graphene)
• Germaniumphosphid
• Molybdän(IV)-sulfid, das als 2D-Material im Gegensatz zum 3D-Kristall eine direkte Bandlücke aufweist.

Verbundene Oberflächenlegierungen

Oftmals werden diese zwei-dimensionalen Materialien, insbesondere elementare Allotrope, mittels einer Oberflächenlegierung mit dem unterstützenden Substrat verbunden. Dies konnte inzwischen auch durch eine Kombination verschiedener Messungen für Silicen auf Ag(111) gezeigt werden, einem System, bei welchem mittels einer einzelnen Messmethode eine Legierung nur schwer nachweisbar ist, was lange Zeit nicht vermutet wurde. Daher ist davon auszugehen, dass solche Oberflächenlegierungen auch unter anderen 2D-Materialien zu finden sind und deren theoretische Eigenschaften erheblich beeinflussen. Die Legierung wirkt während des Wachstums des 2D-Materials als Fundament und Gerüst, welche der Schicht vorauseilt.

Anwendungen

Aufgrund ihrer ungewöhnlichen Eigenschaften werden 2D-Materialien für vielfältige Anwendungen untersucht, z. B. als elektrische oder elektronische Bauelemente (Halbleiter), Bioengineering, medizinische Anwendungen, als Energiespeicher usw. Wegen der geringen Dicke ermöglichen 2D-Materialien das extreme Skalieren der Strukturen von Integrierten Schaltungen, wie Untersuchungen des IMEC an Molybdändisulfid zeigen.

Einzelnachweise

1. The Nobel Prize in Physics 2010. The Nobel Foundation, abgerufen am 15. März 2018 (englisch). 
2. Anna Demming: Graphene meets the standard for industry. Physics World, 14. März 2018, abgerufen am 14. August 2018 (englisch). 
3. ISO/TS 80004-13:2017. Nanotechnologies -- Vocabulary -- Part 13: Graphene and related two-dimensional (2D) materials. International Organization for Standardization, September 2017, abgerufen am 15. März 2018 (englisch). 
4. Borophen – ein neues Wundermaterial? In: Technology Review. heise online, 18. April 2019, abgerufen am 18. April 2019. 
5. Neil Tyler: Flat gallium joins roster of new 2-D materials. New Electronics, 12. März 2018, abgerufen am 15. März 2018 (englisch). 
6. Graphene meets gallenene-A straightforward approach to developing large-area heterostacks by gallium self-propagation. 2019, arXiv preprint arXiv:1905.12438
7. Küchle, Johannes T. et al.: Silicene's pervasive surface alloy on Ag(111): a scaffold for two-dimensional growth. In: 2D Materials. 2022, doi:10.1088/2053-1583/ac8a01. 
8. J. C. Garcia, D. B. de Lima, L. V. C. Assali, J. F. Justo: Group IV Graphene- and Graphane-Like Nanosheets. In: J. Phys. Chem. C. 115. Jahrgang, 2011, S. 13242–13246, doi:10.1021/jp203657w. 
9. Christian Kahle: Graphen ist nur der Anfang: Forscher finden weiteres 2D-Material. WinFuture.de, 10. Februar 2017, abgerufen am 15. März 2018. 
10. Mak, Lee, Hone, Shan, Heinz: Atomically Thin MoS2: A New Direct-Gap Semiconductor. In: Physical Review Letters. American Physical Society, 24. September 2010, abgerufen am 9. Mai 2018 (englisch). 
11. Yuhara, J. et al.: Large area planar stanene epitaxially grown on Ag(1 1 1). In: 2D Materials. 5. Jahrgang, 2018, S. 025002, doi:10.1088/2053-1583/aa9ea0. 
12. Made in IBM Labs: IBM Scientists Demonstrate World's Fastest Graphene Transistor. Holds Promise for Improving Performance of Transistors. IBM, 5. Februar 2010, abgerufen am 15. März 2018 (englisch). 
13. Jennifer Marcus: Researchers develop graphene supercapacitor holding promise for portable electronics. Phys.org, 15. März 2012, abgerufen am 15. März 2018 (englisch). 
14. Neil Tyler: 2D materials paving the way to extreme scaling. New Electronics, 9. Dezember 2019, abgerufen am 10. Dezember 2019 (englisch).