Abbildung und Modifizierung quasi-zweidimensionaler zwischen Graphen eingekapselter Materialien

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ute Kaiser; Dr. Arkady Krasheninnikov
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 345789964

Graphen ist eine chemisch inaktive und mechanisch stabile kristalline monoatomare Lage von Kohlenstoffatomen und deshalb ein geeigneter Objektträger für die Abbildung von Molekülen und Nanopartikeln in korrigierten Elektronenmikroskopen mit atomarer Auflösung. Damit die einfallenden Elektronen keine Atome aus ihrer Position herausschlagen, muss die maximal übertragene Energie kleiner sein als die Bindungsenergie der Atome im Objekt; für viele zweidimensionale Objekte liegt sie unter 80kV. Strahlenschäden, hervorgerufen durch die Brechung von atomaren Bindungen durch Ionisation, lassen sich für zweidimensionale Objekte wesentlich reduzieren, indem man das Objekt zwischen zwei Lagen von Graphen einbettet. Graphen und andere zweidimensionale Objekte mit monoatomarer Dicke wie BN-Schichten sind undurchlässig für Wasser und wässrige Flüssigkeiten. Damit ist es möglich, Flüssigkeiten mit diesen Materialien zu umhüllen und einzuschließen. Die Strahlelektronen können dann in dem eingeschlossenen Material neue zweidimensionale Phasen erzeugen, die ohne den Einschluss nicht stabil sind.In diesem Projekt haben wir das Ziel, aberrationskorrigierte hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie mit atomistischen Simulationen zu kombinieren. Da diese Materialien nur durch die Einkapselung stabil sein werden, bezeichnen wir sie als Quasi-2D Materialien. Wir werden eingekapseltes reines Wasser, wässrige Salzlösungen und Metalle mit niedriger Schmelztemperatur (wie Quecksilber und Gallium) im TEM-Hochauflösungsmodus untersuchen. Parameter sind die Temperatur und die Beschleunigungsspannung. Wir werden erstmals unser dezidiertes SALVE-Gerät einsetzen, das, bedingt durch einen Farb- und Öffnungsfehlerkorrektor, sich durch höchste Auflösung bei niedrigen Spannungen (20-80 kV) von allen anderen derzeitig verfügbaren Mikroskopen unterscheidet. Da der Abbildungsprozess auch zur Bildung von Defekten eingesetzt werden kann, werden wir gezielt die eingekapselten Quasi-2D-Materialien modifizieren. Um die zugrundelegenden Prozesse auf atomarer Ebene zu verstehen, werden multiskalige atomistische Simulationen durchgeführt. Im besonderen werden wir hierfür neue Techniken, basierend auf der nicht-adiabatischen Ehrenfest-Dynamik entwickeln und diese mit zeitabhängiger DFT und dann nachfolgend mit Monte-Carlo Simulationen verbinden. Damit wird es gelingen, die Entwicklung einer Struktur von der atomaren bis zur makroskopischen Skala zu beschreiben. Die Eigenschaften der Quasi-2D-Materialien sollen dann mit Standardtechniken wie DFT berechnet werden. Im Ergebnis dieses Projektes werden wir nicht nur fundamentale Einsichten in die Physik der niedrig-dimensionalen Systeme erlangt, sondern auch neue Wege zur gezielten Modifizierung der Eigenschaften von eingekapselten Nanostrukturen beschreiten können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen