Verzerrungen in 2D-Materialien

  • 09. February 2018

Neue Messmethode zeigt, wie durch Verbiegen die Eigenschaften angepasst werden können.

Zweidimen­sionale Materialien wie etwa Graphen weisen bemerkens­werte Eigen­schaften auf, die ganz neue tech­nische Möglich­keiten eröffnen, von der Sensor­technik bis zur Solar­zelle. Ein wichtiges Phänomen konnte aller­dings bisher kaum präzise vermessen werden: Die extremen inneren Deh­nungen und Stauchungen, die in solchen Materia­lien auftreten können und die ihre physi­kalischen Eigen­schaften oft drastisch verändern. An der TU Wien gelang es nun, diese Verzer­rungen in 2D-Materia­lien auf mikro­skopischer Skala vollständig zu messen, und so kann man nun auch genau beobachten, wie man durch bloßes Verbiegen des Materials seine Eigen­schaften Punkt für Punkt anpassen kann.

Abb.: Eine optische Untersuchungstechnik an zweidimensionalen Materialien zeigt, wie sich Eigenschaften über gezielte Formänderungen beeinflussen lassen. (Bild: TU Wien)

Abb.: Eine optische Untersuchungstechnik an zweidimensionalen Materialien zeigt, wie sich Eigenschaften über gezielte Formänderungen beeinflussen lassen. (Bild: TU Wien)

Wenn man ein Material staucht oder dehnt, ändert sich der Abstand zwischen einzelnen Atomen, und dieser Abstand hat einen Einfluss auf die elek­tronischen Eigen­schaften des Materials. Diesen Umstand nutzt man in der Halbleiter­technik schon lange. Man kann etwa Silizium-Kristalle gezielt so wachsen lassen, dass sie dauerhaft unter innerer mecha­nischer Spannung stehen. Zweidimen­sionale Materia­lien bieten hier aller­dings viel weit­reichendere Möglich­keiten: „Einen Kristall kann man vielleicht um ein Prozent stauchen, bis er bricht. Bei 2D-Materia­lien sind Verbie­gungen von zehn oder zwanzig Prozent möglich“, erklärt Thomas Müller vom Institut für Pho­tonik an der TU Wien. Je nach Verbie­gung und den mecha­nischen Spannungen, die dadurch im Inneren des Materials auftreten, können sich die elek­tronischen Eigen­schaften völlig verändern – etwa die Fähigkeit der Elektronen, einfal­lendes Licht zu absor­bieren.

„Wenn man bisher messen wollte, welche Spannungen in einem solchen Material auftreten, musste man auf recht kompli­zierte Messver­fahren zurück­greifen“, sagt Lukas Mennel. Man kann etwa die Ober­fläche mit einem Transmissions­elektronen­mikroskop abbilden, die durchschnitt­lichen Atom-Abstände messen und daraus auf Dehnungen oder Stauchungen zurück­schließen. Dies gelingt nun mit der neuen Mess­methode viel einfacher und gleich­zeitig viel genauer. Man nutzt dabei die Frequenz­verdopplung: „Wenn man bestimmte Materialien, in unserem Fall eine Schicht aus Molybdän­disulfid, mit dem passenden Laser­licht bestrahlt, dann kann es passieren, dass das Material eine andere Licht­farbe zurück­strahlt“, erklärt Müller. Zwei Photonen des einfal­lenden Laser­lichts werden zu einem Photon mit doppelt so hoher Energie vereint und vom Material emittiert.

Die Stärke dieses Effekts hängt aller­dings von der inneren Symmetrie des Materials ab. Normaler­weise hat Molybdän­disulfid eine waben­artige Struktur, also eine hexa­gonale Symmetrie. Wird das Material gedehnt oder gestaucht, wird diese Symmetrie gering­fügig gestört – und diese kleine Störung hat drama­tische Auswir­kungen auf die Inten­sität des Lichts, das vom Material zurückge­strahlt wird. Wenn man eine Schicht Molybdän­disulfid über eine Mikro­struktur legt, ähnlich wie ein Gummituch über ein Kletter­gerüst, dann ergibt sich ein kompli­ziertes Muster aus lokalen Verzer­rungen. Man kann nun mit dem Laser das Material Punkt für Punkt abtasten und dadurch eine detail­lierte Land­karte der Dehnungen und Stauchungen erhalten. „Dabei können wir nicht nur messen, wie stark die Verbie­gungen sind, sondern auch genau sehen, in welche Richtung sie verlaufen“, erklärt Lukas Mennel.

Diese Abbildungs­methode kann man nun verwenden, um die Material­eigenschaften lokal gezielt anzupassen. „Man könnte dadurch zum Beispiel in Solar­zellen durch maßge­schneiderte Material­verbiegungen dafür sorgen, dass die freien Ladungs­träger möglichst rasch in die richtige Richtung abtrans­portiert werden“, hofft Müller. Der Forschung an 2D-Materia­lien steht somit ein neues, mächtiges Werkzeug zur Ver­fügung.

TU Wien / JOL

Share |

Webinar

Welches Turbulenzmodell soll ich benutzen?

  • 01. March 2018

Lösungen der seit nun fast 200 Jah­ren be­kann­ten Navier-Stokes-Glei­chung­en be­schrei­ben Strö­mung­en in al­len De­tails. Doch Tur­bu­len­zen sind noch im­mer ein nu­me­ri­scher Alb­traum, selbst mit Su­per­com­pu­tern sind tur­bu­len­te Strö­mung­en in re­a­lis­ti­schen Mo­del­len meist un­be­rech­en­bar.

Alle Webinare »

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer