Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Lichtleitende Nanomaterialien

In einem anderen Film

München, 01.12.2017

Tests von optisch aktiven Nanomaterialien: Alexander Högele (rechts) und Mitarbeiter Jonathan Förste im Labor für optische Spektroskopie. (Foto: Jan Greune / LMU)

Seite 2: 500 Materialien mit Potenzial
In der jüngsten Zeit beschäftigt sich Högeles Forschergruppe parallel zu der Arbeit an Nanoröhren mit weiteren ultradünnen Materialien, die allerdings nicht auf Kohlenstoff basieren. Für digitale Anwendungen haben 2D-Kohlenstoff-Systeme nämlich einen großen Nachteil. Graphen ist kein Halbleiter, damit lassen sich beispielsweise keine Transistoren bauen, die für viele elektronische Bauteile Schlüsselkomponenten sind. Deshalb arbeiten die Forscher auch mit anderen ultradünnen Materialien, die für technologische Anwendungen geeignet sind. Entscheidend ist dafür die sogenannte Bandlücke, nach dem quantenmechanischen Modell der energetische Abstand zwischen Bändern in Festkörpern, in denen sich die Elektronen bewegen können.

Seit einigen Jahren gibt es bei der Suche nach ultradünnen 2D-Materialien einen regelrechten Boom. Vor allem auf Verbindungen mit sogenannten Übergangsmetallen wie Molybdän oder Wolfram liegt derzeit der Fokus. Für mehr als 500 Materialien haben Forscher dieses Potenzial entdeckt. Viele sind hochreaktiv und an Luft oder im Kontakt mit Wasser nicht stabil. Die dünnen Materialien, die nur aus einer Schicht oder wenigen Atomlagen bestehen, haben oft komplett andere Eigenschaften als dreidimensionale, dickere Festkörper aus den gleichen Elementen. „Es ist ein neues Forschungsfeld der Festkörperphysik“, sagt Högele.

Der Nanophysiker arbeitet mit Molybdändisulfid, einem neuen Wundermaterial, mit dem sich auch Transistoren bauen lassen. Viele Verbindungen, die wie Molybdändisulfid zu den sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogeniden gehören, haben verblüffende optische Eigenschaften, etwa eine besonders starke Licht-Materie-Wechselwirkung und damit ein großes Potenzial für opto-elektronische Anwendungen. Viele physikalische Grundlagen sind bei den neuen Materialien noch nicht verstanden. „Nach Jahren der Forschung entdecken wir hier immer wieder neue Phänomene“, sagt Högele. „Und manche davon könnten auch für Anwendungen nützlich sein.“

Auch hier die Erwartungshaltung groß. Quanteninformationsverarbeitung mit Hilfe von Licht – diese Vorstellung elektrisiert die Forscher. Manche neu entdeckten Eigenschaften könnte man in ferner Zukunft für technische Anwendungen nutzbar machen, auch wenn, wie Högele sagt, der Weg hier weit ist. Er erzählt von einem Beispiel, bei dem man wieder in die Tiefen der Grundlagenphysik eintauchen muss. Die Elektronen im Molybdändisulfid lassen mit polarisiertem Licht anregen. „Zirkular polarisiertes Licht erzeugt Ladungsträger, die sich zyklisch entweder rechts- oder linksdrehend bewegen“, erklärt Högele. „Ihre Bewegung ist durch den Drehsinn quantisiert.“ Die Forscher beschreiben dies durch den sogenannten Valley-Index. Der quantisierte Drehsinn stellt einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, er könnte sich in der Informationstechnologie nutzen lassen. Anwendungen bis hin zum Quantencomputer sind denkbar. Die zeitliche Entwicklung von Quantenzuständen etwa ließe sich verwenden, um Informationen parallel verarbeiten zu können. „Ein ganzes Forschungsfeld arbeitet daran, Quanteninformationsverarbeitung technisch zu implementieren“, sagt Högele. Verschiedene Ansätze und Systeme konkurrieren hier miteinander, so werden auch in Lasergittern gefangene Atome oder Ionen als Träger von Quanteninformationen erforscht.

Schicht für Schicht ändern sich die Eigenschaften
Doch was für Physiker ein spannendes neues Forschungsgebiet ist, stellt in Bezug auf mögliche Anwendungen erst einen Startpunkt dar. Langwierige Tests neuer technischer Entwicklungen sind dafür notwendig. Materialien müssen sich absolut vorhersagbar verhalten. So ist beispielsweise der Stand der Forschung zum Valley-Index einigermaßen kontrovers: In verschiedenen Studien haben Forscher bei formal identischen Halbleitern unterschiedliche Werte für die Valley-Polarisation gemessen. Sie erklären die Abweichungen damit, dass der Effekt offenbar stark von der Qualität der Kristalle und ihrer Oberflächen abhängt. Ob sich also physikalisch faszinierende Details wie die Valley-Polarisation tatsächlich für quantentechnologische Anwendungen werden nutzen lassen, wird entscheidend davon abhängen, ob hinreichend saubere und defektfreie Kristalle hergestellt werden können, sagt Högele.

Wohin solche Entwicklungen aus der Grundlagenforschung führen, ist oft nicht abzusehen. Dies gilt auch für ein weiteres Forschungsfeld, das sich um die Arbeit an 2D-Dünnschicht-Materialien entwickelt. Zu den 500 neuen ultradünnen 2D-Materialien gehören nämlich neben Halbleiters auch Isolatoren, Ferromagneten und sogar Supraleiter, also die ganze Bandbreite an Werkstoffen, die es auch in der dreidimensionalen Welt gibt. Neu in der 2D-Welt ist aber, dass man die 2D-Supraleiter, Ferromagneten und Halbleiter, zumal sie so dünn sind, beliebig miteinander kombinieren kann. Stapelt man sie Atomlage für Atomlage, entstehen sogenannte Van-der-Waals-Kristalle, geschichtete Kristalle aus dünnen Materialien. Schicht für Schicht ändern sich die physikalischen Eigenschaften oft dramatisch. Die zugrunde liegenden Effekte sind oft nicht hinreichend verstanden, für die Physiker ist das daher eine gigantische Spielwiese. „Es ist manchmal auch Zufall, was hier in den Fokus rückt“, sagt Högele. Er hat neue Stoffe im Fokus, Wolfram-Verbindungen wie Wolframdiselenid und Wolframdisulfid etwa oder hexagonales Bornitrid. „Jeder probiert hier im Moment aus, wie Nobelpreisträger Geim es bei Graphen auch gemacht hat.“ Dieser Molekülbaukasten scheint auch unendliche viele neue Anwendungen zu versprechen. Wenn man die Materialien geschickt miteinander kombiniert, lassen sich daraus ganz neue Bauteile wie Transistoren oder ganze Schaltungen im Nano-Format bauen. Der Traum von der maximalen Miniaturisierung ist auch hier der entscheidende Motor. „Es ist erstaunlich, mit welch elementaren Mitteln wir aktuell Fortschritte erreichen.“ Man könne komplett neue Verbundstoffe erzeugen, die es in der Natur so nicht gibt. „Hier werden noch spannende Dinge passieren“, prognostiziert Högele. Dennoch bremst er zu hohe Erwartungen. Auch das heute so gängige Silizium ist über Jahrzehnte im Labormaßstab untersucht worden, ehe es zur Platform für Massenelektronik wurde. Högele: „Unser Feld ist im Vergleich dazu noch verhältnismäßig jung.“

 

Dr. Alexander HögeleDr. Alexander Högele forscht am Lehrstuhl für Festkörperphysik der LMU. Högele, Jahrgang 1975, studierte Physik an der Universität Heidelberg sowie an der LMU, wo er auch promoviert wurde. Danach war er Postdoc am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, bevor er im Jahre 2008 zunächst als Juniorprofessor an die LMU kam. Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert Högele seit 2013 mit einem seiner hochdotierten Starting Grants. Vor Kurzem sprach der ERC Högele eine weitere millionenschwere Förderung zu: einen sogenannten Consolidator Grant.

Seite 1/2

 

 

erc_535_banner_web