MBE-Wachstum und fortgeschrittene Charakterisierung von großflächigen van-der-Waals Heterostrukturen

• Antragsteller: Dr. Joao Marcelo Jordao Lopes
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545820811

Das Konzept der Van-der-Waals-Heterostrukturen (vdW) hat sich als vielversprechender Weg erwiesen, um zweidimensionale (2D) Metamaterialien mit hybriden Eigenschaften zu entwickeln. Das Stapeln verschiedener 2D-Kristalle fördert synergetische Effekte, die neue Funktionalitäten hervorbringen. Bislang wurde eine Vielzahl exotischer Eigenschaften in vdW-Heterostrukturen untersucht, die durch das Stapeln von exfolierten Flocken aufgebaut wurden. Ein Hindernis für ihre Integration in Anwendungen liegt in ihrer begrenzten Größe und Produktionskompatibilität. Jede Anwendung erfordert einen skalierbaren Ansatz für den Aufbau von Materialen. Daher ist die großflächige Realisierung von einkristallinen vdW-Heterostrukturen ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu ihren endgültigen Anwendungen. In das 2D-CHARM Projekt werden wir die Synthese von vdW-Heterostrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) entwickeln. Sie werden aus dem 2D-Isolator hexagonales Bornitrid (hBN) und 2D-ferroelektrischen Materialien (2D-FEs, entweder SnSe oder In2Se3) bestehen. Solche 2D-FEs/hBN-Heterostrukturen sind vielversprechende Bausteine für verschiedene Anwendungen, darunter ultrakompakte nichtflüchtige ferroelektrische Speicher und künstliche Multiferroika. Die Wachstumsentwicklung wird durch die fortgeschrittene Charakterisierung, die vollständige strukturelle Informationen liefert, stark unterstützt werden. Unser analytischer Ansatz wird vom Millimeter bis zum atomaren Maßstab reichen, wobei modernste Techniken auf der Grundlage der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) zum Einsatz kommen. Insbesondere wird das vierdimensionale (4D)-STEM eingesetzt, um vollständige Strukturinformationen zu erhalten, die mit den Ergebnissen anderer konventioneller Techniken wie der Röntgenbeugung kombiniert werden. Darüber hinaus ermöglicht 4D-STEM Methoden zur Phasenbestimmung, die Zugang zu atomarer Verzerrung zusammen mit lokalen elektrostatischen Feldern auf atomarer Ebene bieten. Die Anwendung von 4D-STEM mit atomarer Auflösung für die 2D-FEs/hBN-Heterostrukturen wird es daher ermöglichen, der Zusammenhang zwischen den präzisen strukturellen Eigenschaften und den damit verbundenen lokalen Polarisationen aufzudecken, die auch durch Piezoresponse-Kraftmikroskopie und Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie in Konfigurationen erforscht werden. Das Endziel dieses Projekts ist die Realisierung von großflächigen 2D-FEs/hBN vdW-Heterostrukturen mittels MBE. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir uns auf drei Herausforderungen konzentrieren: i) Wachstum von hochwertigen und großflächigen hBN Schichten; ii) kontrolliertes Wachstum von 2D-FEs auf dem synthetisierten hBN; iii) grundlegendes Verständnis der Eigenschaften von 2D-FEs/hBN-Heterostrukturen. Im Rahmen des Projekts werden wir das komplementäre Fachwissen der Partner zusammenführen. Insbesondere wird das Feedback zwischen MBE-Wachstum und fortgeschrittener Charakterisierung die Entwicklung von hBN und 2D-FEs mittels MBE ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortliche: Privatdozent Dr. Michael Hanke; Dr. Jonas Laehnemann
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Matthieu Jamet; Dr. Hanako Okuno