hBN / Graphen-2D-Heterostrukturen: Vom skalierbaren Wachstum zur Integration

• Antragsteller: Dr. Mindaugas Lukosius
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436545422

Graphen als 2-dimensionales Material ist bekannt für seine außerordentlichen elektrischen Eigenschaften. Um diese Eigenschaften in einem Bauelementoptimal zu nutzen, muss die elektronische Wechselwirkung von Graphen mit dem Substrat und des daruafliegenden Materials stark reduziert werden. Hexagonales Bornitrid (hBN) ist als ebenfalls 2-dimensionales Material dafür vielversprechend. Es kann sowohl als Isolator zum Substrat als auch als Gatedielektrikum eingesetzt werden. Obwohl bisher bereits mit mechanisch exfoliert und transferiertem hBN hergestellte Bauelemente das große Potential von Graphen/hBN-Strukturen bestätigen, gilt es dafür eine zuverlässige Wachstumstechnologie zu zeigen; die Entwicklung eines neuen Ansatzes für die Herstellung von 2-dimensionalen Strukturen ist von hoher Wichtigkeit. Ziel der Studie ist es, verschiedene Wege zur Graphen/hBN-Abscheidung - kompatibel zur Siliziummikroelektronik zu erkunden und zu entwickeln. Für dieses Ziel werden Graphen/hBN-Strukturen hauptsächlich durch die zwei Methoden Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Chemische Dampfhasenabscheidung (CVD) hergestellt. Der Wachstumsprozess kann durch noch zu entwickelndes Strukturieren des Substrates zur Generierung von Wachstumskeimen zur Schichtbildung unterstützt werden. Hochentwickelte Mikroskopie und Spektroskopie wird eingesetzt, um Information über die Morphologie, Kristallografie und die chemischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten zu bekommen. Atomistische Berechnungen mittels der ab initio Funktionsdichtetheorien, ergänzt durch Monte Carlo-simulationen werden zum Verständnis der Wachstums- und optimalen Prozessbedingungen durchgeführt.Um das ultimative Ziel (der Vermeidung der elektrischen Wechselwirkung zwischen Graphen und dessen Nachbarn im Schichtstapel) zu erreichen, werden auf dem Weg dorthin in diesem Projekt die Wachstumsmechanismen von hBN speziell auf Graphen und Graphen auf hBN untersucht. Solche Mechanismen sollten für die Van der Waals (VdW) Systeme von Graphen und hBN verallgemeinerungsfähig sein. Dies ermöglicht Experimente auf VdW Substrate in unterschiedlicher Weise mit verschiedenen Nukleationszentren, wo bei tiefgründiger Untersuchung mit hochentwickelten Abbildungsverfahren und theoretischen Berechnungen Details der chemischen Reaktion beschrieben und das Wachstum simulierte werden kann. Das Verständnis des Mechanismus ist von fundamentalem wissenschaftlichen Interesse und wichtig für die weitere Entwicklung von Graphen/hBN und ähnlichen Systemen. Die Experimente werden mit CMOS kompatiblen Materialien durchgeführt, was die Einzigartigkeit der Studie darstellt und unmittelbar zur (weiteren) Integration von Graphen/hBN und entsprechender Bauelementherstellung innerhalb der Siliziumtechnologie führen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Jean-Francois Colomer; Dominique Vignaud, Ph.D.