Zweidimensionale (2D) Materialien sind eine neue Klasse von Materialien mit einer Dicke von nur einer oder wenigen Atomschichten. In diesen Schichten sind die Atome durch kovalente Bindungen stark aneinander gebunden, was für Stabilität innerhalb der Schichten sorgt. Gleichzeitig lassen sich die Schichten aufgrund schwacher Van-der-Waals-Kräfte leicht auftrennen. Beispiele für 2D-Materialien sind Graphen, eine einzelne Graphitschicht mit unübertroffener elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit, Molybdändisulfid (MoS2), das zu einer größeren Gruppe von Materialien gehört, die als Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMD) bekannt sind. Wenn MoS2 nur eine Atomschicht dick ist, dann hat es eine direkte Bandlücke – eine ideale Eigenschaft für Halbleiteranwendungen. Des Weiteren arbeiten wir mit hexagonalem Bornitrid (hBN), einem hervorragenden Isolator. Eine der interessantesten Eigenschaften von 2D-Materialien ist, dass sie übereinander gestapelt werden können, um van-der-Waals-Heterostrukturen zu bilden. Bei diesen Heterostrukturen werden verschiedene 2D-Materialien in einer bestimmten Weise gemischt, wodurch neue Materialien mit neu-artigen physikalischen Eigenschaften entstehen, die in den einzelnen Materialien oder in Kristallen in der Natur nicht zu finden sind. Dank dieser Flexibilität versprechen van-der-Waals-Heterostrukturen ein breites Anwendungsspektrum in der Elektronik, Photonik, Energiespeicherung und Sensortechnik. Wissenschaftler:innen wie ihr können neue Anwendungen mit Eigenschaften herstellen, die denen der bestehenden Materialien weit überlegen sind.

In diesem Praktikum wird mechanische Exfoliation als grundlegende Technik zur Abtrennung von nanometer dünnen 2D-Materialien aus größeren Kristallen vorgestellt, bis hin zu Schichten, die nur ein Atom dick sind,. Die mechanische Exfoliation wurde durch die Verwendung von Klebeband auf Graphit populär gemacht, was die Herstellung von Graphen, einer Lage von Kohlenstoffatomen, erlaubt. Diese Schichten können dann auf andere Substrate wie z. B. Silizium übertragen werden, um sie weiter zu charakterisieren und zu nutzen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Beschaffenheit der dünnen 2D-Materialien zu identifizieren und zu beschreiben, um ihre Qualität und Nützlichkeit sicherzustellen. Eines der wichtigsten Hilfsmittel in diesem Prozess ist optische Mikroskopie. Dadurch können dünne Flocken sichtbar gemacht werden und der optische Kontrast gibt eine Vorstellung davon, wie gleichmäßig die Flockendicke ist. Wenn die Studierenden die Exfoliationsverfahren sowie die Identifizierungstechniken für 2D-Halbleiter kennen lernen, erwerben sie grundlegendes Wissen über diese Materialkategorie, was für die aktuelle Forschung und Entwicklung in Bereichen wie Nanotechnologie und Materialwissenschaft erforderlich ist.

Die Ziele Ihres FP-Experiments, in dem Sie alle Experimente selbst ausführen, sind:

1. Verstehen von 2D-Quantenmaterialien
   Erlangung eines umfassenden Verständnisses von 2D-Quantenmaterialien, Erforschung ihrer einzigartigen Eigenschaften und ihrer Bedeutung in der modernen Technologie.
2. Mechanische Exfoliationstechniken:
   Erlernen und üben Sie die mechanische Exfoliationsmethode, um verschiedene 2D-Materialien aus größeren Kristallen zu isolieren. Sie werden Schichten herstellen, die nur 1 Atom dünn sind (Monolagen)!
3. Identifizierung und Charakterisierung
   Sie erwerben Fähigkeiten zur Identifizierung und Charakterisierung von Monolagen aus 2D-Materialien mit Hilfe der Lichtmikroskopie, wobei Sie sich auf die Beobachtung und Analyse der Qualität und der einzigartigen Merkmale der exfolierten Schichten konzentrieren.