Bearbeitung von 2D Materialien durch Rastersondenverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sergej Fatikow
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Mikrosysteme ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315857893

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden sowohl etablierte Methoden für die Bearbeitung und Charakterisierung von 2D-Materialien untersucht als auch neue Kombinationen aus diesen Methoden entwickelt. So lassen sich elektrische Eigenschaften von 2D-Materialien (z.B. Graphen) wie die Ladungsträgerbeweglichkeit und der Dotierungsgrad mit M4PP-Messungen bestimmen. Die Verwendung des entwickelten Roboteraufbaus mit dem hochauflösenden Lichtmikroskop ermöglichte es, einzelne Graphenflakes zu identifizieren, auszurichten und zu charakterisieren und die 4PP-Messung mit visueller In-situ-Kontrolle durchzuführen. Darüber hinaus zeigten Raman-Messungen, dass die Messung keine signifikante Menge an Defekten verursacht hat. Mit dieser Methode ist es auch prinzipiell möglich Graphen-basierte Bauteile, z. B: Transistoren, zu vermessen. Mittels SPL konnten des Weiteren sondenbasierte Modifikationen von 2D-Materialien induziert werden. Im Rahmen dieses Projektes wurden mechanische und vorspannungsunterstützte SPL-Ansätze getestet. Mechanische SPL Techniken funktionieren über die Anwendung einer hohen Belastungskraft auf eine spitze Sonde, die anschließend über das Substrat gescannt wird und einen lokalen Materialabtrag bewirkt. Dabei wurde ein piezoresistiver Cantilever in Kombination mit dem hochauflösenden optischen Mikroskop eingesetzt. Auf diese Weise konnten geeignete Graphenflakes identifiziert und ausgerichtet werden, ohne dass die Sonde zur Bildgebung eingesetzt werden musste. Mit diesem Ansatz wurden die Graphenproben mittels eines mechanischen SPL-Verfahrens, das direkt mit der optischen Bildgebung verbunden ist, erfolgreich modifiziert. Wesentliche Einschränkungen dieses Prozesses waren Graphenreste, die an den Rändern der modifizierten Bereiche verblieben, sowie der Verschleiß und die Abnutzung der Spitze. Bias-unterstütze SPL in Umgebungs-atmosphäre funktioniert über die Zersetzung von Wassermolekülen aus einem Wassermeniskus zwischen einer scharfen Sonde und einem leitfähigen Substrat durch ein begrenztes elektrisches Feld. Die erzeugten Ionen werden zum Substrat hin beschleunigt und können chemische Veränderungen hervorrufen. Zur Untersuchung dieser Prozesse auf 2D-Materialien wurde ein dualer Sondenaufbau mit visueller in-situ-Kontrolle unter Verwendung des Lichtmikroskops realisiert. Diese Methode ermöglichte die Verarbeitung kleinflächiger Graphenflakes auf isolierenden Substraten, ohne dass eine Vorbehandlung mit einem Resist erforderlich war. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass dieser Ansatz in der Lage ist, verschiedene lokale Modifikationen von Graphen mit einer lateralen Strukturgröße von unter 30 nm zu erzeugen. Darüber hinaus wurden Raman-Messungen durchgeführt, um den zugrundeliegenden Modifizierungsmechanismus dieses Rastersondenverfahrens zu untersuchen, was darauf hindeutet, dass einige der modifizierten Graphenbereiche aus neu angeordneten Kohlenstoffbindungen und nicht aus einem stabilen Graphitoxid bestehen. Insgesamt hat sich die hier vorgeschlagene Methodik, bildgebende Sensoren mit sondenbasierten Handhabungs-, Charakterisierungs- und Modifikationstechniken zu verbinden, als effektiv für die Untersuchung sondenbasierter Techniken für Graphen erwiesen. Daher stellt der mit verschiedenen Sonden versehbare und mit einem hochauflösenden optischen Mikroskop ausgestattete Roboteraufbau ein leistungsfähiges Werkzeug für die direkte, schnelle und reversible elektrische Charakterisierung einzelner2D-Materialien und darauf basierender Bauteile dar. Für zukünftige Arbeiten kristallisierten sich im Laufe des Projektes die Untersuchung von Adhäsions- und Reibungseigenschaften von 2D Materialein, ihre Funktionalisierung, und die Herstellung und Charakterisierung von 2D Heterostrukturen als Ziele heraus.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Modeling and compensating thermal drift in time divergent AFM measurements“, Proc. of Micro-Nano-Integration, 6. GMM-Workshop, pp. 1-6, October 5-6, Duisburg, 2016
  J.E. Krauskopf, M Bartenwerfer, S Fatikow
  
• "Pattern fabrication on graphene via dual probe local anodic oxidation," 2017 IEEE 12th Nanotechnology Materials and Devices Conference (NMDC), 2017, pp. 49-50
  S. A. Garnica Barragan, S. Zimmermann and S. Fatikow
  
• “Dedicated Robotic Handling and Processing at the Submicrometer Scale: Feasibility Studies”, 2017, Dr.Hut-Verlag, ISBN: 978-3-8439-3167-0
  S. Zimmermann
  
• Automatic Micro-Robotic Identification and Electrical Characterization of Graphene. Micromachines 2019, 10, 870
  Knaust, M.; Garnica Barragan, S.A.; Fatikow, S.
  
• “A laterally sensitive colloidal probe for accurately measuring nanoscale adhesion of textured surfaces”, Nano Research, vol. 12, no. 2, pp. 389-396, 2019
  S. Zimmermann, W. Klauser, J. Mead, S. Wang, H. Huang, and S. Fatikow