Chemische Manipulation von 2D Materialien auf Nanometer-Ebene

Im Projekt "Chemische Manipulation zweidimensionaler Materialien auf Nanometer-Ebene" untersuchen wir wie neue zweidimensionale (2D) Materialien mit spezifischen Eigenschaften konzipiert und hergestellt werden können. Die Entwicklung neuer Materialien ist ein wichtiger Anwendungsbereich der Materialwissenschaften. Eigenschaften können beispielsweise durch Strukturänderungen des Gitters auf atomarer Ebene gezielt herbeigeführt werden. 2D Nanomaterialien die nur aus einer oder wenigen Atomlagen bestehen sind besonders interessant in Bezug auf Materialdesign aufgrund ihrer Niedrigdimensionalität. Durch Eingriffe in die atomare Struktur eines 2D Materials können sich die Eigenschaften fundamental verändern. Dabei ist oft ein einziges Atom ausreichend. Diese Materialien könnten besser für die Anforderungen einer neuen Generation von Anwendungen mit überlegener Leistungsfähigkeit geeignet sein. Die Möglichkeiten reichen von Sensoren über Nanoelektronik bis hin zu Filtern.

Die in diesem Projekt verwendeten Methoden beinhalten Elektronenmikroskopie und Simulationen. Elektronenmikroskopie erlaubt es Strukturen mit atomarer Auflösung abzubilden. Die Verwendung des Mikroskops Nion UltraSTEM 100 in Wien erlaubt es Gasmoleküle auf die Probenoberfläche aufzubringen. Diese Moleküle werden durch den Elektronenstrahl gespalten und können dann Ätzprozesse verursachen. Üblicherweise wird versucht diese zu vermeiden, da sie unkontrollierte und ungewollte Auswirkungen auf die Probe haben können. Unser Ziel ist es den Ätzprozess zu steuern und für die Herstellung von strukturierten 2D Materialien zu verwenden. Dies ist möglich durch das gezielte Verändern des Atomgitters. Dadurch kann man kontrolliert Features auf Nanoebene erzeugen, beispielsweise Schnitte entlang hochsymmetrischer Gitterrichtungen, die dann zur Herstellung von Nanowires und Nanoribbon verwendet werden können. Dieselbe Methode kann auch zur Erzeugung von Poren verschiedener Größen genutzt werden. Für viele Anwendungen, wie Sensoren und Filter wären Materialien mit solchen Features äußerst vorteilhaft.

Um alle in diesem chemischen Prozess maßgeblichen Mechanismen zu verstehen werden wir atomistische Simulationen verwenden, die das System modellieren. Wir werden ein völlig neues neuronales Netzwerkpotential entwickeln, um die Wechselwirkung zwischen Gasmolekülen und Oberfläche zu beschreiben. Dies ist derzeit mit den vorhandenen Methoden in der benötigten Größenordnung nicht möglich. Dieser Teil des Projekts hat zum Ziel das erste Potential zur Modellierung chemischer Reaktionen in großen Systemen mit eine hoche Präzision, zu entwickeln. Dieses Projekt wird dazu beitragen neue 2D Materialien mit kontrollierten Eigenschaften zu entwickeln und dabei eine neue Herangehensweise für die nächste Generation von Anwendungen auf der Nanometer-Ebene verwenden.