2D-Materialien

2D-Materialien sind Kristalle, die nur ein oder wenige Atome dick sind – Schichten, deren Breite mehrere Zentimeter betragen kann, während ihre Dicke einer einzelnen Atomschicht entspricht. Die Beschränkung von Elektronen auf eine Ebene verändert das Verhalten eines Materials grundlegend, und diese Familie ist zu einem der aktivsten Bereiche in der Physik, Chemie und Gerätetechnik der kondensierten Materie geworden.

Entdeckung und die Graphen-Revolution

Das Feld begann im Jahr 2004, als Andre Geim und Konstantin Novoselov isolierten Graphen – einer einzelnen Schicht aus Kohlenstoffatomen – durch wiederholtes Abziehen von Graphit mit Klebeband. Dass ein ein Atom dicker Kristall bei Raumtemperatur stabil sein könnte, zerstreute langjährige theoretische Zweifel und das Paar erhielt 2010 den Nobelpreis für Physik. Graphen ist ein einzelnes hexagonales Gitter aus sp²-gebundenem Kohlenstoff, dessen Elektronen sich mit einer linearen, relativistischen (Dirac) Energie-Impuls-Beziehung bewegen, was bei Raumtemperatur Ladungsträgermobilitäten von über 200.000 cm² V⁻¹ s⁻¹ ergibt – viel höher als bei Silizium.

Die Hauptfamilien

Graphen ist eine von mehreren Familien. Andere Wabenhalbmetalle – Silicen, Germanen und Stanen – haben die gleiche Geometrie, fügen aber eine beträchtliche Spin-Bahn-Kopplung hinzu, die kleine Bandlücken öffnet. Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) wie MoS₂, WS₂ und WSe₂ haben die Struktur MX₂ (eine Metallschicht zwischen zwei Chalkogenschichten) und wechseln von einer indirekten zu einer direkten Bandlücke von etwa 1,8–2,0 eV, wenn sie zu einer Monoschicht verdünnt werden, wodurch helle Photolumineszenz erzeugt wird, die für die Optoelektronik nützlich ist. Hexagonales Bornitrid (h-BN) ist der isolierende Cousin mit einer breiten Lücke von ~6 eV und einer atomar flachen, defektfreien Oberfläche, die es zum Standardsubstrat und Verkapselungsmittel macht. Zu den neueren Mitgliedern zählen schwarzer Phosphor, die metallischen MXene und Borophen.

Eigenschaften und Anwendungen

Eine reduzierte Dimensionalität erhöht das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und verstärkt den Quanteneinschluss, wodurch sich das Verhalten von Ladung, Wärme und Licht verändert. In halbleitenden TMDs binden sich die Elektron-Loch-Paare (Exzitonen) so fest – Hunderte von MeV –, dass sie bei Raumtemperatur überleben und so LEDs, Laser und Fotodetektoren ermöglichen. Die Nullbandlücke von Graphen ermöglicht ultraschnelle Elektronik und Terahertz-Geräte, verhindert jedoch ein vollständiges Abschalten, was seine Verwendung in der digitalen Logik einschränkt. Verschiedene Blätter in stapeln Van-der-Waals-Heterostrukturen ermöglicht es Ingenieuren, Eigenschaften Schicht für Schicht zu kombinieren, und die große, einstellbare Oberfläche macht 2D-Materialien zu guten Kandidaten für Katalyse, Batterien, Superkondensatoren und chemische Sensorik.

Verdrehte Doppelschichten und Moiré-Physik

Eine bahnbrechende Entwicklung kam im Jahr 2018, als die Gruppe von Pablo Jarillo-Herrero zeigte, dass das Stapeln zweier Graphenschichten und deren Drehung um einen „magischen Winkel“ von etwa 1,1° ein Moiré-Übergitter erzeugt, in dem sich die Elektronen dramatisch verlangsamen und das Material wird supraleitend. Damit wurde das Gebiet der „Twistronik“ ins Leben gerufen, bei dem der Verdrehungswinkel zwischen Schichten zu einem neuen experimentellen Knopf für die Konstruktion korrelierter und topologischer elektronischer Zustände wird – eines der aktivsten Gebiete der modernen Materialphysik.