Es ist fast 20 Jahre her, seit mit der Entdeckung der einzigartigen Eigenschaften von Graphen, einer einzelnen, atomar dünnen Graphitschicht, das Gebiet der zweidimensionalen (2D) Materialien etabliert wurde. Die Bedeutung von Graphen und seinen einzigartigen Eigenschaften wurde bereits 2010 erkannt, als das Nobelpreis für Physik wurde A. Geim und K. Novoselov für ihre Arbeit über Graphen verliehen. Allerdings gibt es Graphen schon seit einiger Zeit, obwohl die Forscher einfach nicht wussten, was es ist oder wie besonders es ist (oft galt es als störender Schmutz auf schönen, sauberen Metalloberflächen REF). Einige Wissenschaftler verwarfen sogar die Idee, dass zweidimensionale Materialien in unserer dreidimensionalen Welt existieren könnten.
Heute ist alles anders. 2D-Materialien gehören zu den spannendsten und faszinierendsten Studienfächern für Forscher aus vielen Disziplinen, darunter Physik, Chemie und Ingenieurwesen. 2D-Materialien sind nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht interessant, sie sind auch für industrielle und technologische Anwendungen äußerst interessant, wie z Touchscreen Und Batterien.
Wir werden auch sehr gut darin, neue 2D-Materialien zu entdecken und vorzubereiten, und die Liste der bekannten und verfügbaren 2D-Materialien wächst schnell. Die Familie der 2D-Materialien wird immer größer und Graphen ist nicht mehr allein. Stattdessen gibt es jetzt viele 2D-Verwandte mit unterschiedlichen Eigenschaften und äußerst unterschiedlichen Anwendungen, die vorhergesagt oder bereits erreicht wurden.
Dennoch hat sich seit Anfang der 2000er Jahre eines nicht viel geändert: die Art und Weise, wie wir Graphen und andere 2D-Materialien herstellen. Die erste Methode zur Herstellung von Graphen, die Verwendung eines Klebebands, ist immer noch die beliebteste Methode zur Herstellung von 2D-Materialien, da sie 2D-Materialien von höchster Qualität liefert. Diese herkömmliche Methode hat jedoch einige Nachteile: Normalerweise sind die resultierenden 2D-Flocken sehr klein und das Klebeband hinterlässt Kleber- und Polymerrückstände auf dem Substrat, auf dem das 2D-Material aufgetragen wird. Während dieser Nachteil für viele Studien beherrschbar ist, ist er in meinem Fachgebiet, der Oberflächenwissenschaft, nicht wünschenswert. In diesem Bereich stellen wir strenge Sauberkeitsanforderungen und benötigen größere 2D-Materialien als mit Klebeband hergestellte Muster.
Dies erfordert einen anderen Ansatz, beispielsweise das Wachstum von Materialien direkt im Ultrahochvakuum. Aber auch das ist nicht ideal – oft dauert es sehr lange, bis das richtige „Rezept“ gefunden ist, und manche Materialien lassen sich einfach nicht auf allen Substraten anbauen.
Aus diesem Grund haben wir uns eins ausgedacht neue Methode zur Herstellung von 2D-Materialien, kinetische In-situ-Einschichtsynthese oder die KISS-Methode. Unsere Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Fortgeschrittene Wissenschaft.
Wie können wir 2D-Materialien einfacher und sauberer herstellen?
Aber wie stellt die KISS-Methode Materialien auf einfache, aber sauberere Weise her? Ein Vorteil liegt im Bereich der Oberflächenwissenschaften, wo die meisten Arbeiten unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt werden. Sie wissen es wahrscheinlich Vakuum, ein Raum oder ein Behälter ohne Materie, einschließlich Atomen. In Wirklichkeit handelt es sich einfach um einen Raumbereich mit einem Druck, der unter dem Atmosphärendruck liegt. Je niedriger der Druck, desto weniger Materie nimmt diesen Raum oder Behälter ein. Ultrahochvakuum ist genau das, ein Bereich mit extrem niedrigem Druck, ähnlich dem Vakuum im Weltraum. In dieser Niederdruckkammer wird die Anwesenheit von Atomen und Molekülen deutlich reduziert, sodass ich meine Proben lange sauber halten kann. Ultrahochvakuum und Sauberkeit sind einer der Grundbestandteile des KISS-Peelingprozesses.
Ein weiterer wichtiger Bestandteil ist die Verwendung eines außergewöhnlich flachen und sauberen Untergrunds, auf dem das 2D-Material platziert wird. Das Substrat kann ein Metall wie Gold oder Silber oder sogar ein Halbleiter wie Germanium sein, solange es atomar flach und sauber ist. Der Einfachheit halber wird das Substrat auch als eine Art steifes Klebeband zum Peeling verwendet.
Dies sind einige der Hauptgründe, warum das KISS-Peeling so gut funktioniert. Mein „Klebeband“-Substrat ist extrem flach und extrem sauber, was einen hervorragenden Kontakt mit der gesamten Kristalloberfläche ermöglicht und es einem 2D-Material ermöglicht, gut am Substrat zu haften.
Wie einfach ist das wirklich? Für Forscher, die in Laboren für Oberflächenwissenschaften arbeiten, erweist sich diese Methode als unglaublich einfach. Wir arbeiten immer im Ultrahochvakuum und wissen, wie man Dinge gut reinigt, sodass dieser Teil einfach ist. Die verwendeten Substrate, einkristallines Ag(111) oder Au(111), werden häufig auch zur Kalibrierung von Geräten für die Oberflächenwissenschaft verwendet und sind daher auch häufig in Laboratorien für die Oberflächenwissenschaften zu finden. Die einzige zusätzliche Voraussetzung ist die Befestigung des geschichteten Kristalls an einer Halterung mit einem federartigen Mechanismus, ähnlich dem eines Stifts, der einen sanften und präzisen Kontakt während des KISS-Peelingvorgangs gewährleistet.
Der Beginn der KISS-Methode
Wie anwendbar ist die KISS-Methode? In unserer Forschungsbericht Zur detaillierten Beschreibung der KISS-Methode führten meine Kollegen und ich umfangreiche Tests mit mehreren Materialien und drei Arten von Substraten durch und erstellten 2D-Schichten aus vierschichtigen Materialien. Wir haben diese Experimente in zwei separaten Labors in Schweden und Dänemark durchgeführt und sogar mehrere Halterdesigns getestet, um die Vielseitigkeit der Methode zu beurteilen. Die Ergebnisse sind vielversprechend – es stellt sich heraus, dass es sich um eine ganze Menge handelt! Mit dem KISS-Peeling konnten wir viele verschiedene 2D-Materialien vorbereiten und der Aufbau lässt sich leicht an verschiedene Laborumgebungen anpassen. Wir haben es in meiner Forschungsgruppe an der Universität Groningen erfolgreich implementiert, und mehrere meiner Mitarbeiter aus anderen Forschungsinstituten haben es erfolgreich angewendet, obwohl sie mit einem völlig anderen Aufbau gearbeitet und andere Materialien untersucht haben. Aufgrund ihrer Einfachheit und Eignung für die Oberflächenwissenschaft, insbesondere für luftempfindliche Materialien, hat die KISS-Methode das Potenzial, die Produktion und Untersuchung von 2D-Materialien zu revolutionieren.
Ich hoffe, dass Forscher auf dem Gebiet der Oberflächenwissenschaften auf der ganzen Welt und vielleicht sogar in anderen Disziplinen diese Methode für ihre Forschung übernehmen und anpassen, um ihre Experimente einfacher und schneller zu machen. Wer weiß? In Zukunft können wir die KISS-Methode möglicherweise sogar für die Massenproduktion von 2D-Materialien anpassen.
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Mehr Informationen:
Antonija Grubišić-Čabo et al, In-Situ-Peeling-Methode großflächiger 2D-Materialien, Fortgeschrittene Wissenschaft (2023). DOI: 10.1002/advs.202301243
Antonija Grubišić-Čabo ist Assistenzprofessorin am Zernike Institute for Advanced Materials der Universität Groningen. Sie ist Principal Investigator (PI) der Forschungsgruppe „Experimentelle Nanophysik mit fortschrittlichen spektroskopischen und strukturellen Analysemethoden“ und untersucht elektronische und strukturelle Eigenschaften von Nanomaterialien im und außerhalb des Gleichgewichts. Ihre Hauptforschungsinteressen sind zweidimensionale (2D) und Quantenmaterialien wie Graphen, 2D-Übergangsmetalldichalkogenide und topologische Isolatoren, die sie mit Spektroskopietechniken wie der winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und zeitaufgelösten ARPES untersucht.