Fortgeschrittene zweidimensionale Übergangsmetall-Chalkogenide
Zweidimensionale Übergangsmetall-Chalkogenide zeigen eine große Vielfalt neuartiger elektronischer und topologischer Eigenschaften und gelten als vielversprechende Materialien für zukünftige Quanten- und nanoelektronische Bauelemente. Dieses Projekt untersucht mithilfe hochauflösender oberflächenwissenschaftlicher Methoden die atomaren Prozesse von Nukleation, Wachstum und Phasenbildung in Ta-S- und Ta-Se-Systemen sowie die Entstehung neuartiger Strukturen wie Kagome-Gitter und Janus-Membranen. Durch kontrollierte Synthese mittels Molekularstrahlepitaxie in Kombination mit Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie werden die strukturellen und elektronischen Eigenschaften dieser Materialien auf atomarer Skala analysiert. Ziel ist es, grundlegende Wachstumsmechanismen zu verstehen und neue funktionale Materialien zu entwickeln.
Projektbeschreibung
Einlagige Übergangsmetallchalkogenide (TMCs) sind eine bedeutende Klasse zweidimensionaler (2D) Materialien mit großem Potenzial für elektronische Anwendungen. Sie bestehen aus Übergangsmetallen und Chalkogenen; ihre Eigenschaften hängen von ihrer chemischen Zusammensetzung und atomaren Struktur ab. Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf einkristallinen Metalloberflächen ist eine bewährte Methode zur Herstellung hochwertiger 2D-TMCs.
Im Mittelpunkt dieses Projekts stehen Ta-S-Verbindungen, da sie eine Vielzahl von Phasen ausbilden können. Ziel ist ein besseres Verständnis atomarer Prozesse bei der TMC-Synthese. Dazu wurden Wachstumsprozesse über die Nukleation hinaus analysiert, kleinste Inselstrukturen identifiziert und der Punkt bestimmt, an dem Nukleationskeime aus der
Oberfläche heraus gehoben werden. Eine systematische Untersuchung der Wachstumsbedingungen ergab Erkenntnisse zu Kantenabschlüssen und Inselorientierungen.
Zur Erforschung des komplexen Ta-S-Phasendiagrammes wurde das Wachstum des Kagome-Gitters optimiert – ein wichtiges Modellsystem in der Quantenphysik, da es das frustrierteste 2D-Magnetgitter darstellt. Dichtefunktionaltheorie-(DFT)-Berechnungen und experimentelle Ergebnisse deuten auf Ta₂S₃ hin, einen vorhergesagten Chern-Isolator.
Zudem wird eine neue Synthesemethode für hochwertige SeTaS-Janusmembranen vorgeschlagen. Ausgangspunkt ist Tantalmonosulfid, das durch eine Se-Schicht von unten nachselenisiert wird. So sollen die prognostizierten piezoelektrischen und supraleitenden Eigenschaften von SeTaS untersucht werden. Dabei wurden bisher unbekannte Ta-Se-Phasen entdeckt – ein Ausgangspunkt für weitere Forschung.
Die gewonnenen Erkenntnisse aus der Untersuchung von Nukleation und Wachstum bei Ta-S sollen auf andere TMCs auf dicht gepackten Metalloberflächen übertragen werden. Besonders Molybdänsulfide stehen im Fokus, da frühere Studien auf ähnliche Wachstumsmechanismen hinweisen. Zudem wurden bei der Analyse der Präparationsparameter laterale Heterostrukturen mit Phasengrenzen und Korngrenzen beobachtet, die weiter untersucht werden sollen.
Zur Umsetzung dieser Ziele wird MBE unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt, da sie mit oberflächenwissenschaftlichen Methoden kompatibel ist. Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS) dienen als Hauptcharakterisierungsmethoden, um strukturelle und elektronische Eigenschaften sowie Phasendifferenzen zu erfassen. Ergänzende oberflächenanalytische Verfahren liefern weitere Einblicke in die physikalischen Eigenschaften dieser Materialien.
Alles auf einen Blick
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Laufzeit
01.01.2026 - 31.12.2028 (Laufend) -
Forschungsbereich
Fortgeschrittene zweidimensionale Übergangsmetall-Chalkogenide -
Finanzierung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): 451.320,00 €
