2D-Kristalle – die dünnsten Materialien der Welt

Sie sind etwa 80.000-mal dünner als ein menschliches Haar: Zweidimensionale Kristalle (2D-Kristalle) gehören zu den dünnsten Materialien der Welt. Mit dieser neuen und vielversprechenden Materialklasse beschäftigen sich Forscherinnen und Forscher aus den USA und Philip Klement, Physikstudent der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU).

2D-Kristalle werden aus einzelnen, freistehenden Atomlagen gebildet – ähnlich einem Blatt Papier –, während gewöhnliche Halbleiterkristalle in diesem Bild einem sehr hohen Papierstapel entsprechen würden. Da die 2D-Kristalle zudem halbleitende Eigenschaften besitzen, könnte man aus ihnen zukünftig Bauteile fertigen, die transparent, extrem leicht und flexibel sind.

Zusammen mit Erstautor Jason Ross arbeitete Philip Klement an einem Experiment an der University of Washington in Seattle (USA), das zum ersten Mal die Machbarkeit von Leuchtdioden aus 2D-Kristallen zeigt und einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung neuer Bauteile darstellt. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht.

Zur Realisierung der Prototypen haben die Forscherinnen und Forscher zunächst zuerst eine sehr glatte und scharfe Untergrundstruktur entwickelt. Auf diese Struktur stapelten sie dann in einem komplizierten Verfahren mehrere einzelne, transparente Lagen verschiedener 2D-Kristalle aus den Materialien Bornitrid und Wolframselenid.

Durch das Anlegen einer Spannung konnte die Struktur dann zum Leuchten gebracht werden und zeigte exzellente optische Eigenschaften: Die Lichtemission war außergewöhnlich hell und das Lichtspektrum 10-mal schmaler als bei vergleichbaren Leuchtdioden, was anspruchsvollere optische Anwendungen zulässt. Gleichzeitig war der Stromverbrauch 1.000-mal geringer. In Zukunft könnten so neuartige Leuchtdioden und auf ähnliche Weise Photodetektoren und Solarzellen hergestellt werden.

Philip Klement forscht zurzeit in der AG Nanotechnologische Materialien von Prof. Dr. Martin Eickhoff (I. Physikalisches Institut der JLU) an den optischen Eigenschaften von Halbleiter-Nanodrähten. Im akademischen Jahr 2012/13 hat er über eine vom Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) geförderte Internationale Studien- und Ausbildungspartnerschaft (ISAP) der JLU die University of Washington in Seattle für zwei Semester besucht. Dort wirkte er an den Experimenten zu den 2D-Kristallen mit.

Veröffentlichung:
Jason S. Ross, Philip Klement, Aaron M. Jones, Nirmal J. Ghimire, Jiaqiang Yan, D. G. Mandrus, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Kenji Kitamura, Wang Yao, David H. Cobden and Xiaodong Xu: Electrically Tunable Excitonic Light Emitting Diodes based on Monolayer WSe2 p-n Junctions. Nature Nanotechnology, online veröffentlicht am 9. März 2014. DOI: 10.1038/nnano.2014.26