Der Begriff Molybdändisulfid kommt manchen Autofahrern und Mechanikern vielleicht bekannt vor. Kein Wunder: Der in den 1940er-Jahren vom US-amerikanischen Chemiker Alfred Sonntag entdeckte Stoff wird noch heute als Hochleistungsschmierstoff in Motoren und Turbinen, aber auch für Bolzen und Schrauben verwendet.
Dies liegt an der besonderen chemischen Struktur dieses Feststoffs, dessen einzelne Materialschichten sich leicht gegeneinander verschieben lassen. Molybdändisulfid (chemisch MoS2) schmiert jedoch nicht nur gut, sondern es ist auch möglich, eine einzelne Atomschicht dieses Materials abzulösen oder es im Wafermaßstab synthetisch wachsen zu lassen.
Die kontrollierte Isolierung einer MoS2-Monoschicht wurde erst vor wenigen Jahren erreicht, gilt aber bereits als materialwissenschaftlicher Durchbruch mit enormem technologischen Potenzial. Mit genau dieser Materialklasse will das Empa-Team nun arbeiten.
Der geschichtete Aufbau einzelner Atomlagen macht dieses Material für Physiker auf der Suche nach Basismaterialien für Nanocomputer der nächsten Generation interessant. MoS2 – und seine chemischen Verwandten, sogenannte Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs) – sind einer der wichtigsten „Shooting Stars“ in einer ganzen Reihe zweidimensionaler (2D) Materialien.
TMDs sind 2D-Halbleiter und haben eine direkte Bandlücke, allerdings nur als Einzelschicht, was sie besonders attraktiv für ultimative miniaturisierte integrierte Schaltkreise oder optische Detektoren macht. Die robusten quantenmechanischen Eigenschaften von 2D-Materialien werden auch für den Einsatz in der Quantenmetrologie, Quantenkryptographie und Quanteninformationstechnologie intensiv erforscht.
Aber es kommt nicht nur auf das Grundmaterial an, sondern vor allem auch auf die Fähigkeit, Defekte darin zu bewältigen: Analog zur chemischen Dotierung „klassischer“ Halbleiter in integrierten Schaltkreisen oder Fremdionen in Festkörperlasern seien atomare Defekte „wie das Tüpfelchen auf dem i“, insbesondere bei 2D-Materialien, sagte Schuler.
Atomar dünne Quantencomputer
Der Empa-Forscher will mit einem neuartigen Instrument atomare Defekte in TMDs charakterisieren und deren Eignung als sogenannte Quantenemitter untersuchen. Quantenemitter bilden die Schnittstelle zwischen zwei Welten: dem Elektronenspin – dem quantenmechanischen Analogon des Elektronendrehmoments – der sich zur Verarbeitung von Quanteninformationen eignet, und den Photonen, also Lichtteilchen, mit denen sich Quanteninformationen verlustfrei über große Entfernungen übertragen lassen.
2D-Materialien bieten den großen Vorteil, dass die relevanten Energieskalen viel größer sind als bei 3D-Materialien, sodass erwartet wird, dass die Technologie über kryogenen Umgebungen eingesetzt werden kann – idealerweise sogar bei Raumtemperatur. Darüber hinaus müssen die Defekte auf der Oberfläche des 2D-Materials lokalisiert werden, wodurch sie viel einfacher zu finden und zu manipulieren sind.
Doch zunächst müssen die Defekte in der zweidimensionalen MoS2-Schicht erkannt und ihre elektronischen und optischen Eigenschaften genau untersucht werden. Präzise bedeutet in diesem Fall, dass der untersuchte Ort mit einer Genauigkeit von einem Angström erkundet wird. Zum Vergleich: 1 Angström entspricht einem Meter, was 4 cm der Entfernung der Erde zum Mond (400.000 km) entspricht.
Und der Schnappschuss, der zur Aufzeichnung der elektronischen Anregung des Quantenpunkts verwendet wird, muss bis auf eine Pikosekunde (ps) genau sein – 1 ps ist nur ein Bruchteil einer Sekunde wie zwei Tage im Vergleich zum Alter des Planeten Erde (5 Milliarden Jahre).
Diese ultrakurzen und atomar präzisen Messungen liefern dann ein sehr detailliertes Bild davon, welche dynamischen Prozesse auf atomarer Skala ablaufen und welche Faktoren diese Prozesse beeinflussen.
Ein Apparat, der aus zwei Hälften besteht
Die Apparatur, in der die Experimente stattfinden sollen, steht bereits in einem Raum im Keller des Empa-Laborgebäudes in Dübendorf – dort, wo der Boden am stabilsten ist. „Wir haben über eineinhalb Jahre Vorbereitungs- und Entwicklungsarbeit investiert, um unseren Versuchsaufbau fertigzustellen“, erklärt Bruno Schuler.
„Im Oktober 2022 haben wir die beiden Hälften unserer Anlage verbunden und konnten erstmals lichtwelleninduzierte Ströme messen. Das Prinzip funktioniert. Ein riesiger Meilenstein im Projekt.“
Die beiden Hälften, mit denen Schulers Team nun arbeiten wird, sind zum einen ein Rastertunnelmikroskop (STM). Mit einer ultradünnen Spitze wird die Atomoberfläche der Probe abgetastet. Die Wissenschaftler positionieren die Spitze an einer Defektstelle, also einer Lücke oder einem „fremden“ Atom in der Struktur.
Dann kommt die zweite Hälfte des Systems ins Spiel, das Schulers Kollege Jonas Allerbeck aufgebaut hat: Ein 50-Watt-Infrarotlaser sendet ultrakurze Laserpulse auf einen nichtlinearen Lithiumniobat-Kristall. Dadurch wird ein phasenstabiler elektromagnetischer Impuls im Terahertz-Frequenzbereich erzeugt. Dieser Impuls ist nur eine einzige Lichtschwingung lang und kann mit einer speziellen Optik in ein Paar Pump- und Sondenimpulse aufgeteilt werden – die beide mit variabler Verzögerung aufeinander folgen und die Elektronendynamik stroboskopisch messen können.
Ein Elektron „springt“ auf die Defektstelle
Die beiden Impulse werden dann in das STM gesendet und zur Sondenspitze geleitet. Der erste Puls löst ein Elektron von der Spitze, das auf die Defektstelle der zweidimensionalen MoS2-Schicht „springt“ und dort Elektronen anregt. „Das kann entweder eine elektrische Ladung, eine Spinanregung, eine Gitterschwingung oder ein Elektron-Loch-Paar sein, das wir dort erzeugen“, erklärt Schuler.
„Mit dem zweiten Puls schauen wir dann ein paar Pikosekunden später, wie unsere Defektstelle auf den Anregungspuls reagiert und können so Dekohärenzprozesse und den Energietransfer in das Substrat untersuchen.“
Damit ist Schuler einer der wenigen Spezialisten weltweit, der die Pikosekunden-Kurzzeitauflösung mit einer Methode zur Detektion einzelner Atome kombiniert. Das Team nutzt die intrinsische Lokalisierung von Zuständen im 2D-Materialsystem, um Anregungen lange genug an einem Ort zu halten, um entdeckt zu werden.
„Das ultraschnelle Lichtwellen-Rastersondenmikroskop ermöglicht faszinierende neue Einblicke in quantenmechanische Prozesse auf atomarer Ebene, und 2D-Materialien sind eine einzigartige Materialplattform, um diese Zustände kontrolliert zu erzeugen“, sagt der Empa-Forscher.