Laterale Heterostrukturen zweidimensionaler Halbleiter

• Antragsteller: Professor Dr. Carsten Busse
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569845622

Halbleiter-Heterostrukturen bilden das Rückgrat moderner Elektronik: Die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Bandstrukturen ermöglicht Transistoren, Solarzellen oder Laserdioden. Mit zweidimensionalen Materialien lassen sich nun ultradünne laterale Heterostrukturen realisieren, bei denen Monolagen in einer Ebene miteinander verknüpft werden - ein Schritt zu ultimativer Miniaturisierung von Bauelementen. Darüber hinaus treten in diesen Strukturen Effekte auf, die in der 3D-Welt nicht beobachtet werden. Die ideale Grenzfläche in einer Heterostruktur ist atomar scharf, sauber und kohärent - das heißt keine gebrochenen Bindungen, keine Versetzungen. Während Sauberkeit und Schärfe durch kontrollierte Präparation erreichbar sind, kann die Kohärenz durch Gitterfehlanpassung der beteiligten Materialien prinzipiell eingeschränkt sein. Die elektronische Bandstruktur eines 2D-Heteroübergangs wird durch die relative Lage von Ferminiveau und Bandkanten bestimmt und zusätzlich durch Ladungsfallen an der Grenzfläche beeinflusst. Diese Bandausrichtung steuert die elektronischen Eigenschaften und legt mögliche Anwendungen fest. Die geometrische Struktur ergibt sich aus der Gitterfehlanpassung, die epitaktische Verspannung oder Versetzungen hervorrufen kann. Ziel dieses Vorhabens ist es, elektronische und geometrische Struktur solcher Heteroübergänge durch Anwendung von Methoden der Oberflächenforschung experimentell auf atomarer Skala zu erfassen, um ihre gegenseitige Wechselwirkung zu verstehen. Eine vielversprechende Materialklasse sind Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) der Form MX2 (M: Übergangsmetall, hier Mo, W; X: S, Se, Te). Die halbleitenden Vertreter besitzen eine gemeinsame Kristallstruktur, unterscheiden sich aber teils deutlich in ihren Gitterkonstanten. Die dabei entstehende Fehlanpassung wird in schmalen Heterostrukturen durch epitaktische Verspannung kompensiert, oberhalb einer kritischen Breite treten Defekte auf: Die elastische Energie wächst mit der Breite, die energetischen Kosten für Versetzungen fallen jedoch nur einmalig an der Grenzfläche an. Versetzungen können Ladungsfallen erzeugen, Verspannung verändert die Bandstruktur sowohl in ihrer Größe (z. B. Bandlückenbreite) als auch in ihrer Natur (z. B. direkter vs. indirekter Übergang). Eine Beschreibung der Bänder im Übergang muss daher über das einfache, spannungs- und fehlerfreie Bild (z. B. Andersons Regel) hinausgehen. Das Projekt zielt darauf, eine solche Beschreibung experimentell zu erarbeiten. Hierzu werden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) Heterostrukturen mit variierender Zusammensetzung und Morphologie hergestellt. Durch gezielte Variation von Gitterfehlanpassung und Bandausrichtung und deren Analyse mit Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (STM/STS) werden atomare und elektronische Struktur direkt aufgelöst. So lässt sich grundlegend verstehen, wie die Geometrie auf atomarer Ebene die Bandstruktur in 2D-Heterostrukturen bestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen