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Forschung & Entwicklung Materialeigenschaften lokal anpassen

Dehnungen und Zerrungen können die Eigenschaften eines Materials deutlich verändern. Eine neue, laserbasierte Methode kann diese inneren Verbiegungen sichtbar machen.

Wenn ein Material gestaucht oder gedehnt wird, ändert sich der Abstand zwischen einzelnen Atomen, und dieser Abstand hat einen Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften des Materials. An der TU Wien gelang es, Verzerrungen in 2D-Materialien auf mikroskopischer Skala vollständig zu messen. So kann man nun auch genau beobachten, wie durch bloßes Verbiegen des Materials seine Eigenschaften Punkt für Punkt angepasst werden können.  

Diesen Umstand nutzt man in der Halbleitertechnik schon lange. Man kann etwa Siliziumkristalle gezielt so wachsen lassen, dass sie dauerhaft unter innerer mechanischer Spannung stehen. Zweidimensionale Materialien, die nur aus einer ultradünnen Schicht bestehen, bieten hier viel weitreichendere Möglichkeiten: Einen Kristall könne man vielleicht um ein Prozent stauchen, bis er breche. Bei 2D-Materialien seien Verbiegungen von zehn oder zwanzig Prozent möglich, erklärt Prof. Thomas Müller vom Institut für Photonik an der TU Wien. Je nach Verbiegung und den mechanischen Spannungen, die dadurch im Inneren des Materials auftreten, können sich die elektronischen Eigenschaften völlig verändern – etwa die Fähigkeit der Elektronen, einfallendes Licht zu absorbieren.

Bisher wurde zur Messung solcher Spannungen zum Beispiel die Oberfläche mit einem Transmissionselektronenmikroskop abgebildet, die durchschnittlichen Atom-Abstände gemessen und daraus auf Dehnungen oder Stauchungen zurückgeschlossen. Die Forscher der TU Wien nutzten nun die sogenannte Frequenzverdopplung: „Wenn man bestimmte Materialien, in unserem Fall eine Schicht aus Molymbdändisulfid, mit dem passenden Laserlicht bestrahlt, dann kann es passieren, dass das Material eine andere Lichtfarbe zurückstrahlt“, erklärt Thomas Müller. Zwei Photonen des einfallenden Laserlichts werden zu einem Photon mit doppelt so hoher Energie vereint und vom Material emittiert.

Die Stärke dieses Effekts hängt allerdings von der inneren Symmetrie des Materials ab. Normalerweise hat Molybdändisulfid eine hexagonale Symmetrie. Wird das Material gedehnt oder gestaucht, wird diese Symmetrie geringfügig gestört – und diese kleine Störung hat deutliche Auswirkungen auf die Intensität des Lichts, das vom Material zurückgestrahlt wird.

Wenn man eine Schicht Molybdändisulfid über eine Mikrostruktur legt, ähnlich wie ein Gummituch über ein Klettergerüst, dann ergibt sich ein Muster aus lokalen Verzerrungen. Man kann nun mit dem Laser das Material Punkt für Punkt abtasten und dadurch eine detaillierte Landkarte der Dehnungen und Stauchungen erhalten. Dabei wird nicht nur gemessen, wie stark die Verbiegungen sind, sondern auch genau sehen, in welche Richtung sie verlaufen.

Diese Abbildungsmethode kann verwendet werden, um die Materialeigenschaften lokal gezielt anzupassen. Man könnte dadurch beispielsweise in Solarzellen durch maßgeschneiderte Materialverbiegungen dafür sorgen, dass die freien Ladungsträger möglichst in die richtige Richtung abtransportiert werden. Der Forschung an 2D-Materialien steht somit ein vielversprechendes Werkzeug zur Verfügung.

Originalveröffentlichung:

[L. Mennel, M. M. Furchi, S. Wachter, M. Paur, D. K. Polyushkin, T. Müller, Optical imaging of strain in two-dimensional crystals, Nat. Commun. 9 (2018), DOI: 10.1038/s41467-018-02830-y]

von mn

www.tuwien.ac.at

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