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Heterostrukturen mit programmierbaren elektronischen Eigenschaften

Mit Hilfe einer neuartigen supramolekularen Strategie lassen sich einstellbare 1D-periodische Potenziale zur Selbstorganisation von organischen ad hoc-Bausteinen auf Graphen realisieren. Diese öffnen den Weg zur Umsetzung hybrider organisch-anorganischer Mehrschichtmaterialien mit einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften.

Vertikale Stapel unterschiedlicher 2D-Kristalle wie z. B. Graphen und Bornitrid, die durch schwache Van der Waals-Kräfte zusammengehalten werden, lassen sich üblicherweise als „Van der Waals-Heterostrukturen“ bezeichnen. Solche mehrschichtigen Strukturen können für die Untersuchung verschiedener Phänomene im Nanometerbereich verwendet werden. Insbesondere erzeugt die mechanische Überlagerung der 2D-Kristalle 2D-periodische Potenziale, die dem System unkonventionelle physikalische und chemische Eigenschaften verleihen.

Forscher der Universität Straßburg und CNRS haben in Zusammenarbeit mit der Universität Mons, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung und der Technischen Universität Dresden einen supramolekularen Ansatz angewandt, um selbstorganisierende organische Molekülgitter mit einer kontrollierten Geometrie und atomarer Präzision auf Graphen zu bilden, was 1D-periodische Potenziale in den resultierenden organisch-anorganischen Hybrid-Heterostrukturen hervorruft.

Die entworfenen und synthetisierten molekularen Bausteine weisen einerseits einen langen aliphatischen Bereich auf, der die Selbstorganisation und die Periodizität des Potenzials steuert. Außerdem besitzen sie eine photoreaktive Diazirinkopfgruppe, deren Dipolmoment das Oberflächenpotenzial des darunter liegenden Graphen-Blättchens moduliert. Bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht vor der Abscheidung auf Graphen wird die Diazirineinheit gespalten und eine reaktive Carben-Spezies gebildet. Letztere ist anfällig für die Reaktion mit Lösungsmittelmolekülen, was zu einer Mischung von neuen Verbindungen mit unterschiedlichen Funktionalitäten führt.

Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie wurde die nanoskalierte Anordnung der supramolekularen Gitter auf Graphit- und Graphen-Oberflächen charakterisiert, welche die Periodizität und Geometrie der induzierten Potenziale bestimmt. Die Graphen-basierten Feldeffekt-Bauelemente wurden dann einer elektrischen Charakterisierung unterzogen, um den Effekt von unterschiedlichen selbst-assemblierten organischen Schichten auf die elektrischen Eigenschaften des 2D-Materials zu bestimmen. Computersimulationen erlauben es, die Wechselwirkung des molekularen Zusammenbaus mit Graphen zu begreifen. Weiterhin zeigte eine theoretische Analyse, dass die Effekte der Dotierung gänzlich auf die Anordnung der elektrischen Dipole in den Kopfgruppen zurückzuführen ist. Schließlich konnte aus einem supramolekularen Gitter, das nach UV-Bestrahlung des molekularen Bausteins in einem anderen Lösungsmittel hergestellt wurde, ein periodisches Potenzial mit der gleichen Geometrie, aber einer anderen Intensität erzeugt werden.

Auf diese Weise konnten die Forscher nachweisen, dass organische supramolekulare Gitter geeignet sind, um kontrollierbare 1D-periodische Potenziale auf der Oberfläche von Graphen zu erzeugen. Interessanterweise können Periodizität, Amplitude und Signatur der induzierten Potenziale vorprogrammiert und durch sorgfältiges molekulares Design angepasst werden. Dieser supramolekulare Bottom-up-Ansatz kann erweitert und auf andere anorganische 2D-Materialien wie Übergangsmetall-Dichalkogenide angewendet werden, die den Weg zu komplexeren mehrschichtigen Van-der-Waals-Heterostrukturen ebnen. Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die Realisierung von organisch-anorganischen Hybridmaterialien mit kontrollierbaren strukturellen und elektronischen Eigenschaften mit beispiellosen elektrischen, magnetischen, piezoelektrischen und optischen Funktionalitäten.

Originalveröffentlichung:

[M. Gobbi et al., Periodic potentials in hybrid van der Waals heterostructures formed by supramolecular lattices on graphene, Nat. Commun. 8 (2017), DOI: 10.1038/ncomms14767]

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