Die erste Schutzschicht für 2D-Quantenmaterialien

Da siliziumbasierte Computerchips auf der Suche nach schnelleren und kleineren Designs an ihre physikalischen Grenzen stoßen, ist die Suche nach alternativen Materialien, die auf atomarer Ebene funktionsfähig bleiben, eine der größten Herausforderungen der Wissenschaft.

In einer bahnbrechenden Entwicklung haben Forscher des Exzellenzclusters Würzburg-Dresden einen Schutzfilm entwickelt, der nur ein Atom dicke Quantenhalbleiterschichten vor Umwelteinflüssen schützt, ohne ihre revolutionären Quanteneigenschaften zu beeinträchtigen. Damit rückt die Anwendung dieser empfindlichen Atomschichten in ultradünnen elektronischen Bauteilen in realistische greifbare Nähe. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Naturkommunikation.

2D-Quantenmaterialien statt Silizium

Der Wettlauf um die Entwicklung immer schnellerer und leistungsfähigerer Computerchips geht weiter, während Transistoren, ihre Grundkomponenten, auf immer kleinere und kompaktere Größen schrumpfen. In einigen Jahren werden diese Transistoren nur noch wenige Atome groß sein – dann wird die Miniaturisierung der derzeit verwendeten Siliziumtechnologie ihre physikalischen Grenzen erreicht haben. Daher ist die Suche nach alternativen Materialien mit völlig neuen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung für zukünftige technologische Fortschritte.

Im Jahr 2021 machten Wissenschaftler des Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quantenmaterie an den Universitäten JMU Würzburg und TU Dresden eine bedeutende Entdeckung: topologische Quantenmaterialien wie Indenen, die vielversprechend für ultraschnelle, energieeffiziente Elektronik sind . Die resultierenden, extrem dünnen Quantenhalbleiter bestehen aus einer einzigen Atomschicht – im Fall von Indenen aus Indiumatomen – und fungieren als topologische Isolatoren, die an ihren Rändern Strom nahezu widerstandslos leiten.

„Die Herstellung einer solchen einzelnen Atomschicht erfordert eine hochentwickelte Vakuumausrüstung und ein spezielles Substratmaterial. Um dieses zweidimensionale Material in elektronischen Bauteilen nutzen zu können, müsste es aus der Vakuumumgebung entfernt werden. Allerdings führt die Einwirkung von Luft, auch nur für kurze Zeit, zu …“ Oxidation, zerstört seine revolutionären Eigenschaften und macht es unbrauchbar“, erklärt der Experimentalphysiker Professor Ralph Claessen, Würzburger Sprecher des ct.qmat.

Auf der Suche nach einer schützenden Beschichtung

„Wir haben zwei Jahre damit verbracht, eine Methode zu finden, um die empfindliche Indenenschicht mithilfe einer Schutzbeschichtung vor Umwelteinflüssen zu schützen. Die Herausforderung bestand darin, sicherzustellen, dass diese Beschichtung nicht mit der Indenenschicht interagiert“, erklärt Cedric Schmitt, einer von Claessens Doktoranden, die daran beteiligt sind das Projekt.

Diese Wechselwirkung ist problematisch, denn wenn verschiedene Arten von Atomen – beispielsweise aus der Schutzschicht und dem Halbleiter – aufeinandertreffen, reagieren sie auf atomarer Ebene chemisch und verändern das Material. Bei herkömmlichen Siliziumchips ist dies kein Problem, da diese aus mehreren Atomschichten bestehen, so dass genügend Schichten unbeeinträchtigt und somit noch funktionsfähig bleiben.

„Ein Halbleitermaterial, das aus einer einzelnen Atomschicht wie Indenen besteht, wäre normalerweise durch einen Schutzfilm beeinträchtigt. Dies stellte eine scheinbar unüberwindbare Herausforderung dar, die unsere Forschungsneugier geweckt hat“, sagt Claessen. Die Suche nach einer tragfähigen Schutzschicht führte sie zur Erforschung von Van-der-Waals-Materialien, benannt nach dem niederländischen Physiker Johannes Diderik van der Waals (1837–1923).

Claessen erklärt: „Diese zweidimensionalen Van-der-Waals-Atomschichten zeichnen sich durch starke innere Bindungen zwischen ihren Atomen aus, während sie sich nur schwach an das Substrat binden. Dieses Konzept ähnelt der Herstellung von Bleistiftminen aus Graphit – einer Form von Kohlenstoff mit angeordneten Atomen.“ in Wabenschichten – schreibt auf Papier. Die Graphenschichten lassen sich leicht trennen. Unser Ziel war es, diese Eigenschaft zu reproduzieren.“

Mithilfe hochentwickelter Ultrahochvakuumanlagen experimentierte das Würzburger Team mit dem Erhitzen von Siliziumkarbid (SiC) als Substrat für Indenen und untersuchte so die Bedingungen, die erforderlich sind, um daraus Graphen zu bilden. „Siliziumkarbid besteht aus Silizium- und Kohlenstoffatomen. Durch Erhitzen lösen sich die Kohlenstoffatome von der Oberfläche und bilden Graphen“, sagt Schmitt. „Wir haben dann Indiumatome aufgedampft, die zwischen der schützenden Graphenschicht und dem Siliziumkarbid-Substrat eingetaucht sind. So ist die Schutzschicht für unser zweidimensionales Quantenmaterial Indenen entstanden.“

Zum ersten Mal weltweit gelang es Claessen und seinem Team am ct.qmat-Standort Würzburg, eine funktionale Schutzschicht für ein zweidimensionales Quantenhalbleitermaterial herzustellen, ohne seine außergewöhnlichen Quanteneigenschaften zu beeinträchtigen. Nach der Analyse des Herstellungsprozesses testeten sie gründlich die Schutzwirkung der Schicht gegen Oxidation und Korrosion. „Es funktioniert! Die Probe kann sogar Wasser ausgesetzt werden, ohne dass es zu Beeinträchtigungen kommt“, freut sich Claessen. „Die Graphenschicht fungiert wie ein Regenschirm für unser Indenen.“

Auf dem Weg zur Atomschichtelektronik

Dieser Durchbruch ebnet den Weg für Anwendungen mit hochempfindlichen Halbleiter-Atomschichten. Die Herstellung ultradünner elektronischer Komponenten erfordert deren Verarbeitung in Luft oder anderen chemischen Umgebungen. Möglich wurde dies durch die Entdeckung dieses Schutzmechanismus.

Das Team in Würzburg konzentriert sich nun darauf, weitere Van-der-Waals-Materialien zu identifizieren, die als Schutzschichten dienen können – und hat bereits einige Perspektiven im Kopf. Der Haken daran ist, dass Graphen trotz seines wirksamen Schutzes atomarer Monoschichten vor Umwelteinflüssen aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit die Gefahr von Kurzschlüssen birgt. Die Würzburger Wissenschaftler arbeiten daran, diese Herausforderungen zu meistern und die Voraussetzungen für die Atomlagenelektronik von morgen zu schaffen.