NEMS Sensoren aus 2D-Material-Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Max Christian Lemme; Professor Dr. Christoph Stampfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436607160

Mikro- und Nanoelektromechanischen Systeme (NEMS) wie Drucksensoren, Beschleunigungssensoren und Gyroskope sind bereits weit verbreitet. Sie haben jedoch das Potenzial, eine ganze Reihe weiterer Anwendungen zu erschließen: tragbare Elektronik für Freizeitanwendungen (wearables), die Überwachung des Genesungsprozesses von Patienten, implantierfähige Systeme zur Überwachung von Herzfehlern, oder generell zur Überwachung des Klimas oder als Datensammler im Internet der Dinge. Für die meisten dieser Anwendungen ist es wichtig, dass die NEMS Sensoren soweit möglich miniaturisiert werden. Dies ist Anwendungsgetrieben, geht also weit über den ökonomischen Wunsch zur Kostenreduktion durch Miniaturisierung hinaus.Kürzlich haben die Antragsteller demonstriert, dass freitragende Graphenmembranen sich exzellent für elektromechanische Wandler in ultra-miniaturisierten piezoresistiven NEMS-Sensoren eignen. Allerdings leiden Graphen-NEMS-Sensoren unter der niedrigen Piezoresistivität von Graphen, sodass Graphen-Wandler typischerweise nur Dehnungsfaktoren (k-Faktor) von 2-4 erreichen. 2D Materialien wie Molybdän-Disulfid (MoS2) mit deutlich höherem k-Faktor haben dagegen nicht die gleiche Festigkeit wir Graphen oder hexagonales Bornitrid (h-BN). Um diese Einschränkung zu überwinden werden wir im Rahmen von 2D-NEMS neuartige Heterostrukturen aus gestapelten 2D-Materialien untersuchen. Ziel ist es, die grundlegenden physikalischen Prinzipien von neuartigen NEMS-Systemen zu erforschen und einen mindestens 10-fach erhöhten Dehnungsfaktoren im Vergleich zu existierenden NEMS-Wandlern zu demonstrieren. Dazu werden wir freitragende Heterostrukturen aus gestapelten 2D-Materialien wie Graphen, h-BN, MoS2 und anderen 2D-Übergangsmetall-Dichalkogeniden (z.B. WS2, MoSe2, WSe2) untersuchen. Wir werden außerdem eine neue Methode zum Stapeln von 2D-Materialien erforschen, die auf einer adhäsiven Wafer-Bonding-Technik beruht. Die neuartigen Heterostrukturen als piezoresistive Wandler werden durch drei verschiedene NEMS-Bauteildemonstratoren realisiert: (1) Dehnungsmessstreifen aus 2D Heterostrukturen, um belastungsabhängige elektrische Messungen durchzuführen; (2) piezoresistive NEMS-Drucksensoren, basierend auf freitragenden 2D Heterostruktur-Membranen; (3) piezoresistive NEMS-Beschleunigungssensoren, basierend auf freitragenden 2D Heterostrukturen mit einer Belastung durch Testgewichte. Das Projekt wird somit zu einem verbesserten Verständnis der Materialeigenschaften und der Wandelmechanismen von 2D Heterostrukturen beitragen. Wir erwarten langfristig neuartige NEMS-Sensoren mit bedeutend reduzierter Größe und verbesserter Leistungsfähigkeit.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Kristinn Gylfason, Ph.D.; Amaia Zurutuza, Ph.D.