Ein Hauch von Material

Inzwischen wird auch an Kohlenstoff-Nanomembranen und 2D-Polymeren geforscht, die durch gezielte Vernetzung von organischen Molekülen hergestellt werden. Allein die Anzahl graphenähnlicher Materialien ist mittlerweile so groß, dass schon vom Graphen-Zoo die Rede ist. Chemiker, Physiker und Materialwissenschaftler docken andere Moleküle an das Graphen an oder bringen dieses in eine bestimmte Form und verändern damit die Materialeigenschaften.

Auf Safari im 2D-Zoo

Als ältestes bekanntes zweidimensionales Material ist Graphen am besten erforscht. Seine elektronischen Eigenschaften stechen besonders hervor: Die elektrische Leitfähigkeit des Materials übertrifft die von Metallen – denn die Atome sind so angeordnet, dass pro Atom ein Elektron frei zum Ladungstransport zur Verfügung steht. Auch die Wärmeleitfähigkeit von freistehendem Graphen ist außergewöhnlich groß, und das hauchdünne Material ist erstaunlich robust: Es ist fester als Diamant und aufgrund seiner geringen Dicke zugleich extrem leicht und flexibel. Eine einen Quadratmeter große Hängematte aus Graphen könnte ohne Probleme eine Katze halten und wäre dabei leichter als eines ihrer Schnurrhaare.

Prominente Vertreterin der bereits erwähnten Chalkogenide ist die Materialklasse der Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs, von englisch „Transition Metal Dichalcogenides“). Die dünnste mögliche Schicht besteht bei diesen Kristallen aus drei Atomlagen: zwei Schichten des Chalkogens mit einer dazwischenliegenden Übergangsmetallschicht, wie bei einem Sandwich. Die Elektronen können sich also nicht mehr in allen drei Raumrichtungen wie in einem dreidimensionalen Kristall bewegen, sondern sind im platten Sandwich gefangen. Dadurch verändert sich die elektronische Struktur, und es entstehen neue optische Eigenschaften. So ermöglicht der Einsatz von TMDs in optoelektronischen Bauteilen wie Leuchtdioden eine höhere Lichtausbeute und bei Solarzellen eine wesentlich größere Stromausbeute. Zudem sind diese Materialien sehr robust, und sie können für transparente Bauteile verwendet werden.

Längst werden die hauchdünnen Materialien nicht nur getrennt voneinander untersucht, sondern wie bei einer Art Miniatur-Lego aufeinandergestapelt und miteinander kombiniert. Durch die schwachen Bindungen der Atome untereinander („Van-der-Waals-Bindungen“) können die einzelnen Lagen trotz teils unterschiedlicher Kristallstrukturen frei zueinander ausgerichtet werden. Andrey Turchanin, Professor für Angewandte Physikalische Chemie und Molekulare Nanotechnologie an der Universität Jena, ist fasziniert von den Möglichkeiten, die sich durch diese sogenannten Van-der-Waals-Heterostrukturen bieten: „Man kann unterschiedliche Materialien nehmen, die in verschiedenen Prozessen hergestellt wurden, und sie einfach aufeinanderstapeln. Wenn man diese Hybridmaterialien untersucht, findet man in der Regel neue physikalische Phänomene.“

Eines davon macht sich das junge Forschungsfeld der Twistronik zunutze: Variiert man den Verdrehungswinkel zwischen zwei 2D-Materialien, ändern sich dadurch die elektronischen Eigenschaften. Sehr ausgeprägt zeigt sich das bei zwei aufeinanderliegenden Graphen-Flocken: Allein der Winkel entscheidet darüber, ob das Material nicht-leitend oder supraleitend ist, also Strom völlig ohne Widerstand leitet. Einige Forscher hoffen, dass sich mit diesem Effekt supraleitende Transistoren für neuartige Rechenschaltungen realisieren lassen.

Doch diese Vielfalt an Kombinations- und Ausrichtungsmöglichkeiten hat nicht nur Vorteile. Solange die genauen Auswirkungen von gegeneinander verdrehten Materialien nicht genau untersucht sind, ist es schwierig, Anwendungen zu finden.

Vom Labor in die Fabrik

Bevor sich die Materialien in industriellen Anwendungen nutzen lassen, muss man sie in hoher Qualität und zu einem bezahlbaren Preis herstellen können. Die Herstellungsmethode der Wahl hängt vom Material und den gewünschten Eigenschaften ab. Praktischerweise muss nicht für jedes Material eine neue Methode gefunden werden, da sich Materialien, die vom Aufbau her ähnlich sind, auch auf dieselbe oder leicht angepasste Weise herstellen lassen. Essenziell ist dabei, dass die Eigenschaften der Produkte genau kontrolliert werden können.

Ein häufig genutztes Verfahren ist die chemische Gasphasenabscheidung, die auch in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommt. Damit können dünne Feststoff-Schichten aus der Gasphase auf einem Substrat abgeschieden werden. Obwohl sich dieses Verfahren mittlerweile auch für 2D-Materialien auf größere Herstellungsmengen ausweiten lässt, macht die Umsetzung Probleme. Denn um 2D-Materialien erfolgreich und rentabel mit Methoden aus der Halbleiterindustrie herstellen zu können, muss man sich deren Standards anpassen. So werden etwa Speicher und Prozessoren aktuell auf 300-Millimeter-Silizium-Platten produziert. „Wenn man für die Herstellung von 2D-Materialien mit der neuesten Technik arbeiten will, muss man dieselbe Plattengröße verwenden“, sagt Michael Heuken, Vice President Advanced Technologies der Firma Aixtron und Professor an der RWTH Aachen. Das Unternehmen aus Herzogenrath stellt Anlagen für die Halbleiterindustrie her und entwickelt inzwischen auch solche zur industriellen Fertigung von 2D-Materialien. Manche Techniken dafür lassen sich von der Herstellung anderer Materialien übernehmen, einfach ist das aber nicht. Heuken erklärt: „2D-Molybdändisulfid, ein TMD, ist nur drei Atomlagen dick. Als Grundlage verwenden wir dafür Saphir-Platten. Die sind allerdings nie perfekt flach und haben atomar kleine Stufen, auf denen das dünne Material trotzdem ohne Fehler in der Kristallstruktur abgeschieden werden muss.“

Probleme wie dieses müssen noch in der Grundlagenforschung angegangen werden. Außerdem ist es notwendig, die abgeschiedenen Schichten für die Weiterverarbeitung vom Substrat abzulösen und an anderer Stelle wieder unversehrt aufzubringen. Inzwischen lassen sich zwar auch große Schichten gut ablösen, aber das Platzieren auf einem anderen Untergrund ist noch schwierig. Heuken vergleicht das mit einer Tischdecke, die faltenfrei auf einen großen Tisch gelegt werden soll. Trotz der physikalischen Wissenslücken und technischen Herausforderungen, die eine Anpassung an die Halbleiterindustrie mit sich bringt, ist er optimistisch: „Der Fortschritt bei der Entwicklung von 2D-Materialien verläuft aktuell gigantisch schnell.“

Auf dem Weg in den Alltag

In den letzten Jahren sind immer mehr Nischenprodukte auf den Markt gekommen, die von 2D-Materialien Gebrauch machen, etwa leitfähige Graphen-Tinte für druckbare Elektronik oder eine Smartphone-Kühltechnologie, die auf der großen Wärmeleitfähigkeit von Graphen basiert. Doch eine besondere Anwendung, die den 2D-Materialien zum Durchbruch auf dem Markt verhelfen könnte, gibt es bislang nicht. Aber in einigen Bereichen werden große Hoffnungen auf die neuartigen Werkstoffe gesetzt, etwa in der Halbleiterindustrie. Denn langfristig steht die Mikro- und Nanoelektronik vor einem Problem: Um Transistoren immer kleiner und schneller zu machen, müssen Alternativen zum praktisch überall verwendeten Silizium gefunden werden. Doch die Entwickler stoßen auf der Jagd nach kleineren, energieeffizienteren und schnelleren Bauteilen an die physikalischen Grenzen der Siliziumschaltungen. Hier kommen 2D-Materialien ins Spiel, die in ihrer Vielfalt ein großes Repertoire elektronischer Eigenschaften bieten. Heuken sieht hier die momentan größten Fortschritte bei Anwendungen: „In der Nanoelektronik werden 2D-Materialien eine ganz entscheidende Rolle spielen“, ist der Aachener Forscher überzeugt.

Auch im Energiesektor, besonders bei der Energieerzeugung und -speicherung, wird auf die neuen Materialien gesetzt: Bei Batterien spielt vor allem die hohe Leitfähigkeit von Graphen und ähnlichen Materialien eine Rolle. Es wird an unterschiedlichen Konzepten für ihren Einsatz geforscht. „Werden dem Kathodenmaterial üblicher Ionenbatterien nur wenige Prozent Graphen beigemischt, erhöht das die elektrische Leitfähigkeit und sorgt gleichzeitig für höhere Stabilität. Das ermöglicht ein schnelleres Laden und Entladen, und die Batterien überstehen mehr Ladezyklen“, erklärt Xinliang Feng, Professor für molekulare Funktionsmaterialien an der TU Dresden und Direktor der Abteilung Synthetic Materials and Functional Devices am Max-Planck-Institut in Halle. Er forscht an der Herstellung und den Eigenschaften verschiedener Materialien, die Anwendung im Bereich der Elektronik, aber auch der Umwelt sowie der Energieerzeugung und -speicherung finden. Erste Produkte wie Graphen-Powerbanks sind bereits auf dem Markt, und in China bringen Graphen-Autobatterien die Elektromobilität voran. Diese Fortschritte könnten auch der Energiewende neuen Aufwind bescheren.

Sauberes, salzfreies Wasser

Vor allem ihre mechanischen Eigenschaften machen 2D-Materialien für das Filtern von Flüssigkeiten interessant, etwa bei der Abwasserreinigung oder Entsalzung von Meerwasser – Verfahren, die mit dem Fortschreiten des Klimawandels und häufigeren Dürren immer größere Bedeutung bekommen. Bislang wird dafür häufig die Umkehrosmose eingesetzt. Das Meerwasser wird hierbei unter großem Druck durch eine Membran gepresst, die wie ein Sieb Wassermoleküle passieren lässt, Salze und andere Verunreinigungen hingegen zurückhält.

Doch das Wasser durch die Membran zu pressen, benötigt viel Energie und ist teuer. Durch Filtermembranen aus porösen 2D-Materialien kann dieses Verfahren optimiert werden, wesentlich energiesparender sind allerdings Methoden wie die kapazitive Deionisierung. Die Salz-Ionen werden dabei durch Anlegen einer geringen Spannung zwischen zwei Elektroden aus dem Wasser entfernt. 2D-Materialien wie Graphen, Graphenoxid oder künstlich hergestellte Kohlenstoff-Nanomembranen werden hier als Elektrodenmaterial und auch als zusätzliche Membran erforscht. Dadurch ließe sich viel Energie und Geld sparen – sobald die Herstellung solcher zweidimensionaler Materialien in großen Mengen möglich und günstig genug ist.

Turchanin, Heuken und Feng sind sich einig: Im Lauf der nächsten 10 bis 20 Jahre werden 2D-Materialien einen festen Platz in unserem Alltag haben – ob in Handybatterien, (Quanten-)Computern oder als Filtermembran. Das ist eine beeindruckende Entwicklung, schließlich haben Wissenschaftler das Universum der 2D-Materialien erst vor knapp 20 Jahren erschaffen.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…