Zweidimensionale Materialien: Kristalle aus einer Atomlage

Was zweidimensionale Materialien sind

Ein zweidimensionales Material ist ein Kristall, dessen Ausdehnung in einer Raumrichtung auf eine oder wenige Atomlagen geschrumpft ist, während er in den beiden anderen Richtungen makroskopisch groß bleiben kann. Die Atome sind innerhalb der Ebene durch starke kovalente oder ionische Bindungen zusammengehalten; zwischen den Ebenen wirken nur schwache Van-der-Waals-Kräfte. Genau diese Asymmetrie macht es möglich, eine einzelne Lage von ihrem Volumenkristall abzulösen.

Der Begriff „zweidimensional“ ist dabei physikalisch und nicht geometrisch gemeint: Eine reale Graphenschicht hat sehr wohl eine Dicke von etwa 0,34 Nanometern. Entscheidend ist, dass sich die Ladungsträger - Elektronen und Löcher - praktisch nur in der Ebene bewegen können und in der dritten Richtung quantenmechanisch eingesperrt sind. Diese Einschränkung, das sogenannte Quantum Confinement, verändert die elektronische Struktur grundlegend gegenüber dem dreidimensionalen Ausgangsstoff.

Als 2D-Materialien im engeren Sinn gelten atomar dünne Schichten mit langreichweitiger kristalliner Ordnung. Sie sind eng verwandt mit den Nanomaterialien und zählen zur breiteren Familie der fortgeschrittenen Materialien.

Graphen: der Prototyp und seine Entdeckung

Die Geschichte der 2D-Materialien beginnt 2004 an der Universität Manchester. Andre Geim und Konstantin Novoselov gelang es, mit einem verblüffend einfachen Verfahren einzelne Atomlagen aus Graphit zu lösen: Sie klebten ein Stück Klebeband auf einen Graphitkristall, zogen es ab und wiederholten das Spalten, bis unter dem Mikroskop einlagige Bereiche erkennbar waren. Diese „Scotch-Tape-Methode“ oder mechanische Exfoliation lieferte die ersten frei liegenden Graphenflocken.

Graphen ist eine einzelne, wabenförmig angeordnete Lage aus Kohlenstoffatomen. Seine Elektronen verhalten sich wie masselose Teilchen und erreichen extrem hohe Beweglichkeiten; das Material ist zugleich außergewöhnlich reißfest, dehnbar und ein hervorragender Wärmeleiter. Für diese Arbeiten erhielten Geim und Novoselov 2010 den Nobelpreis für Physik. Bemerkenswert ist, dass lange als theoretisch gesichert galt, streng zweidimensionale Kristalle könnten bei endlicher Temperatur gar nicht stabil existieren - das Experiment widerlegte diese Annahme, weil reale Schichten leicht wellig sind und sich dadurch stabilisieren.

Eine ausführliche Darstellung finden Sie unter was Graphen ist; Graphen bleibt der Maßstab, an dem alle weiteren 2D-Materialien gemessen werden.

Die Materialfamilie jenseits von Graphen

Graphen hat einen Nachteil: Es besitzt keine Bandlücke und lässt sich deshalb nur schwer wie ein Transistor an- und ausschalten. Diese Lücke füllen andere 2D-Materialien, jedes mit einem eigenen Eigenschaftsprofil.

Hexagonales Bornitrid (h-BN) sieht Graphen strukturell ähnlich, ist aber ein elektrischer Isolator mit großer Bandlücke. Es dient als extrem glattes, defektarmes Substrat und Dielektrikum - sozusagen als das „weiße Graphen“. Übergangsmetall-Dichalkogenide wie Molybdändisulfid (MoS2) oder Wolframdiselenid sind Halbleiter; einlagiges MoS2 hat sogar eine direkte Bandlücke und leuchtet unter Anregung, was es für die Optoelektronik interessant macht. Phosphoren, eine einzelne Lage schwarzen Phosphors, bietet eine anpassbare Bandlücke und stark richtungsabhängige Eigenschaften.

Eine jüngere Gruppe sind die MXene - atomar dünne Karbide und Nitride von Übergangsmetallen, 2011 an der Drexel University entdeckt. Sie sind metallisch leitend und gut in Wasser verarbeitbar und gelten als vielversprechende Quantenmaterialien für Energiespeicher und Abschirmung.

Die Physik hinter den ungewöhnlichen Eigenschaften

Warum verhält sich ein Material anders, sobald es nur noch eine Atomlage dick ist? Der Kern liegt darin, dass fast jedes Atom an der Oberfläche liegt. In einem Volumenkristall sind die inneren Atome von Nachbarn umgeben und abgeschirmt; in einer Monolage ist die gesamte Materie Oberfläche. Das macht 2D-Materialien einerseits extrem empfindlich gegenüber ihrer Umgebung - ideal für Sensoren - andererseits anfällig für Verunreinigung und Oxidation.

Die auf eine Ebene beschränkte Bewegung der Ladungsträger verändert außerdem die Bandstruktur. Bei Graphen entstehen die berühmten Dirac-Kegel, an denen sich Elektronen wie relativistische Teilchen ohne Ruhemasse bewegen. Bei MoS2 wandelt sich die im Volumen indirekte Bandlücke im Einzellagenfall in eine direkte um - ein Effekt, der direkt aus der Festkörperphysik und dem Quantum Confinement folgt.

Auch mechanisch ergeben sich Extreme: Weil kaum Volumendefekte vorhanden sind, nähern sich 2D-Kristalle ihrer theoretischen Festigkeit. Graphen zählt zu den stärksten je gemessenen Materialien und bleibt dabei biegsam. Diese Kombination aus elektronischer Vielfalt und mechanischer Robustheit unterscheidet die 2D-Welt grundlegend von klassischen Halbleitern.

Stapeln wie Lego: Heterostrukturen und Twistronik

Weil 2D-Schichten untereinander nur durch schwache Van-der-Waals-Kräfte gebunden sind, lassen sie sich zu neuen Materialien kombinieren, ohne dass die Kristallgitter zueinander passen müssen. Solche Van-der-Waals-Heterostrukturen entstehen, indem man verschiedene Monolagen - etwa Graphen, h-BN und MoS2 - wie Legosteine übereinanderlegt. Die Reihenfolge und Auswahl der Lagen bestimmt die Eigenschaften des Gesamtstapels; man entwirft ein Material also gewissermaßen Schicht für Schicht.

Ein besonders faszinierendes Feld ist die Twistronik. 2018 zeigte das Team um Pablo Jarillo-Herrero am MIT, dass zwei um einen „magischen Winkel“ von etwa 1,1 Grad gegeneinander verdrehte Graphenlagen bei tiefen Temperaturen supraleitend werden. Der Verdrehungswinkel erzeugt ein großflächiges Moiré-Muster, das die Elektronen so stark abbremst, dass völlig neue kollektive Zustände entstehen. Der Winkel selbst wird zum Designparameter - ein Ansatz, den es bei klassischen Werkstoffen nicht gibt.

Diese Stapel- und Verdrehungstechniken haben aus 2D-Materialien eine Art Baukasten gemacht und gehören zu den aktivsten Forschungsrichtungen der nanomaterialbasierten Physik.

Anwendungen, aktueller Stand und Grenzen

Die potenziellen Einsatzfelder reichen weit: schnelle und flexible Transistoren, hochempfindliche Gas- und Biosensoren, transparente Elektroden für Displays, Photodetektoren, Membranen zur Wasserentsalzung sowie Elektroden für Batterien und Superkondensatoren. In der Energietechnik interessieren 2D-Materialien vor allem wegen ihrer riesigen Oberfläche und guten Leitfähigkeit, etwa in Forschungsansätzen zur Energiewandlung und zum Energy Harvesting.

Zugleich ist Nüchternheit geboten. Der größte Engpass ist die Herstellung: Die klebebandbasierte Exfoliation liefert nur winzige Flocken, während skalierbare Verfahren wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) noch mit Korngrenzen, Defekten und der Übertragung auf technische Substrate ringen. Reproduzierbare Waferqualität, Langzeitstabilität an Luft und die Integration in bestehende Halbleiterfertigung sind bislang ungelöst. Die meisten Anwendungen befinden sich daher im Labor- oder Vorserienstadium, nicht in der Massenproduktion.

Trotzdem ist Graphen bereits in Nischen angekommen - in Verbundwerkstoffen, Beschichtungen und einzelnen Sensoren. Die Forschung an neuen Energietechnologien und Innovationen erneuerbarer Energie treibt die Entwicklung weiter voran.

Graphenschichten in der Neutrinovoltaik-Forschung

Ein Beispiel für die energiebezogene Erforschung von 2D-Materialien ist die Arbeit der Neutrino Energy Group (Berlin, gegründet 2008 von Holger Thorsten Schubart). Ihr Forschungsansatz, die Neutrinovoltaik, untersucht, ob sich in einer patentierten Mehrlagenstruktur aus Graphen und dotiertem Silizium winzige elektrische Ströme gewinnen lassen, indem bereits vorhandene Umgebungseinflüsse - thermische Bewegung, elektromagnetische Felder und weitere Quellen - in ein nutzbares elektrisches Signal überführt werden.

Physikalisch knüpft dies an Beobachtungen aus der Gruppe um Paul Thibado an, wonach freistehendes Graphen thermisch bedingte Wellenbewegungen ausführt. Der Gedanke ist, diese Bewegung gleichzurichten. Wichtig zur Einordnung: Es handelt sich um Grundlagenforschung, nicht um ein fertiges oder käufliches Produkt, und es entsteht keine Energie aus dem Nichts. Jeder gewandelte Strom stammt aus bereits vorhandener Umgebungsenergie in einem offenen System und respektiert damit die Hauptsätze der Thermodynamik. Details finden Sie unter was Neutrinovoltaik ist. Das Beispiel zeigt vor allem, wie zentral gut kontrollierte Graphen-Multilagen für die Materialforschung geworden sind.