Dotierte 2D-Materialien

Herkömmliche Halbleiter, wie sie in heutigen Heimcomputern, Mobil­telefonen oder Industrie­rechnern stecken, basieren auf Silizium. Die Techno­logie dahinter ist bestens erforscht, die Produktions­prozesse sind optimiert. Doch um den immer größer werdenden Leistungshunger moderner Elektronik zu stillen, stößt Silizium an seine Grenzen. Alternativen müssen her. Diese bieten sich in Form ultradünner, zweidi­mensionaler Materialien. Das bekannteste ist wohl Graphen. Mittlerweile gibt es aber noch viele weitere, zum Beispiel aus der Material­klasse der Übergangs­metall-Dichal­kogenide. Sie alle haben eine Gemeinsamkeit: Sie sind nur wenige Atomlagen dick. Bei dem von Slawomir Prucnal am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf untersuchten Molybdän­diselenid sind das zum Beispiel genau drei.

„Damit Materialien wie Silizium oder eben die neuen 2D-Materialien als elek­tronische Komponenten funktionieren, müssen wir ihre inneren Eigen­schaften verändern“, erklärt Prucnal, der in der Abteilung Halbleiter­materialien des HZDR-Instituts für Ionenstrahl­physik und Material­forschung arbeitet. „Dazu schleusen wir einige fremde Atome in das regelmäßige Kristall­gitter ein.“ Bei der industriellen Fertigung von Siliziumchips geschieht das durch Ionen­implantation. Dazu wird ein Strahl geladener Teilchen auf das Material gerichtet, von denen einige im Kristall­gitter eingebaut werden. „Bei zwei­dimensionalen Materialien ist das schwierig“, sagt Prucnal. „Denn die Ionen aus dem Strahl müssen genau in den wenigen Atomlagen stoppen, aus der das Material besteht.“

Deshalb haben er und sein Team die neuen Werkstoffe mit einer speziellen Deckschicht versehen. Der Aufbau dieser Schicht gibt den Wissen­schaftlern die Möglichkeit, den Prozess der Dotierung sehr genau zu steuern. „Jetzt können wir die Fremdatome aus dem Ionenstrahl präzise ins Kristallgitter des 2D-Materials trans­portieren, sodass sie dort eingebaut werden.“ Das hat einen entscheidenden Vorteil: Dank der Deckschicht lassen sich die neuen Materialien mit den gleichen Produktions­anlagen bearbeiten, die für heutige Silizium­chips im Einsatz sind.

Nachdem Slawomir Prucnal und seine Forschungs­gruppe nachgewiesen haben, dass ihr Konzept mit Molybdän­­diselenid – einem Material aus der Klasse der Übergangs­metall-Dichal­kogenide – und einer Dotierung mit Chlorionen funktioniert, prüfen sie aktuell weitere 2D-Materialien. Im nächsten Schritt wollen sie ihre Methode verwenden, um einen voll funktions­fähigen elek­tronischen Schaltkreis herzustellen.

HZDR / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Prucnal et al.: Chlorine doping of MoSe₂ flakes by ion implantation, Nanocale 13, 5834 (2021); DOI: 10.1039/D0NR08935D
• Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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