Zweidimensionales Wundermaterial könnte Computer noch schneller machen

Bei der Suche nach zukunftsträchtigen Materialien waren Wissenschaftler des Wilhelm-Ostwald-Instituts für physikalische und theoretische Chemie der Universität Leipzig nun die ersten, die die Eigenschaften des vielversprechenden Stoffes Germaniumphosphid, eines sogenannten zweidimensionalen Materials, untersucht haben. Dank ihrer Erkenntnisse könnte es möglich sein, Computerchips noch kleiner und schneller und Solarzellen effizienter zu machen.

Ihre Forschungsergebnisse haben sie jetzt in dem renommierten Fachmagazin „Nano Letters“ veröffentlicht. „Nach der Entdeckung des zweidimensionalen (2D) Materials Graphen galt Phosphoren in der Mikroelektronik als das neue Wundermaterial, denn es hat fantastische elektronische Eigenschaften.

Jedoch hat es ein Problem. Es ist an der Luft nicht stabil, sodass es sich nur sehr schwer als Werkstoff handhaben lässt“, sagt Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie der Universität Leipzig.
Heine und sein Team kamen daher auf die Idee, den reaktiven Phosphor durch Zugabe des Elements Germanium zu stabilisieren.

„Germaniumphosphid wurde zwar bereits in den 1970er Jahren das erste Mal hergestellt, dann aber als uninteressant erachtet und wieder aus den Augen verloren“, erklärt der Chemiker. Sie seien nun die ersten gewesen, die erkannt haben, welches Potenzial in diesem Material, insbesondere in seiner zweidimensionalen Version, steckt. „Es hat nicht nur sehr gute elektronische Eigenschaften, sondern ist zudem auch noch chemisch stabil.“ Dadurch ist es deutlich einfacher nutzbar und wesentlich leichter herzustellen als Phosphoren.

2D-Materialien sind kristalline Substanzen, die eine Dicke von nur einer oder wenigen Atomlagen haben. „Dünner geht nicht“, bringt es Prof. Heine auf den Punkt. Aufeinandergestapelt ergeben sie sogenannte Schichtmaterialien, deren Eigenschaften sich meist deutlich von denen der 2D-Kristalle unterscheiden.

Vor 13 Jahren wurde mit dem Graphen das erste Mal ein 2D-Material gewonnen, für das die Physiker Novoselov und Geim später den Nobelpreis erhielten. Seitdem ist eine Suche nach weiteren 2D-Materialien und ihren ungewöhnlichen Eigenschaften in Gang gesetzt worden.

Germaniumphosphid könnte dabei besonders vielversprechend sein. Die Leipziger Chemiker haben nun anhand von Berechnungen herausgefunden, dass dieser Stoff seine Eigenschaften mit der Anzahl seiner Atomlagen ändert: Besteht er aus mehr als drei Schichten, so hat er die Eigenschaften eines Metalls. Als Einzel- oder Doppellage wird die Struktur plötzlich zu einem Halbleiter.

„Dieser plötzliche Wandel der Eigenschaften hat uns sehr überrascht und eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten. Elektronische Schalter, Transistoren etwa, werden aus Halbleitern gefertigt, die Kontakte sind jedoch metallisch. Mit Germaniumphosphid wird es nun möglich, beide Komponenten aus dem gleichen Material zu fertigen“, erläutert Yu Jing, Erstautorin der zugrundeliegenden Publikation im Fachmagazin „Nano Letters“.

„Außerdem sind die Ladungsträger in Germaniumphosphid besonders mobil. Das macht es besonders interessant für schnelle elektronische Anwendungen wie Computerchips oder -speicher.“ Und nicht nur das: Das Material verfügt auch über Eigenschaften, die für die Produktion kostengünstiger Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad wichtig sind. Die dafür notwendigen Ausgangsstoffe, Germanium und Phosphor, sind preiswert und weltweit nahezu überall verfügbar.

Originaltitel der Veröffentlichung in „Nano Letters“:
„GeP3: A small indirect band gap 2D crystal with high carrier mobility and strong interlayer quantum confinement“, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b05143

Verena Müller

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Thomas Heine
Lehrstuhl für Theoretische Chemie komplexer Systeme Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Telefon: +49 341 97-36401
E-Mail: homas.heine@uni-leipzig.de

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b05143