Transistor mit Schicht aus einer Atomlage

Eine russisch-britische Forschergruppe an der University of Manchester hat einen vergleichsweise einfachen Weg gefunden, Schichten mit nur einer Atomlage Dicke herzustellen. Die von dem Team um André Geim aus dreidimensionalen Kristallen isolierten hauchdünnen Kristallebenen bleiben überraschenderweise an der Luft und bei Raumtemperatur über mehrere Wochen bestehen.

Die Arbeit, die kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences erschien (Bd. 102, Nr. 30, S. 10451), ist eine Weiterführung von Versuchen mit Graphit-Schichten, die im letzten Oktober Aufsehen erregt hatten. Damals hatten die Forscher hauchdünne Schichten von Graphit-Einkristallen über ein mikromechanisches Abspaltungsverfahren hergestellt. Sie hatten unter den „abgehobelten Flocken“ zum Teil nur atomdicke Graphit-Lagen entdeckt, die sich als überraschend formstabil erwiesen. Die elektrischen Eigenschaften dieser Schichten sind so vielversprechend, dass man mit ihnen ultraschnelle und leistungsarme Feldeffekttransistoren bauen könnte (c't 23/04, S. 52).

Inzwischen hat die Gruppe ihr Verfahren auf Materialien ausgeweitet, die ähnlich wie Graphit geschichtet sind. Außer an Bornitrid (BN) sowie den Dichalcogeniden Molybdänsulfid (MoS₂) und Niobselenid (NbSe₂) versuchten sie sich erfolgreich an Wismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid (Bi₂Sr₂CaCu₂O_x), einer Keramik mit Perowskit-Struktur, die zu den Hochtemperatur-Supraleitern zählt. In all diesen Verbindungen sind die Atome innerhalb einer Schicht über kovalente Bindungen stark aneinander gebunden, während zwischen den Schichten nur eine schwache, van-der-Waals-ähnliche Kraft wirkt. Das macht sie schmierig oder spröde - und leicht spaltbar.

Die neue Erkenntnis von Geim und seinen Kollegen ist nun, dass sich formstabile Abblätterungen von nur einer Atomlage verblüffend einfach fabrizieren lassen. Im Grunde reiben die Forscher nur eine durch Abspaltung frisch hergestellte Kristallfläche an einer anderen Oberfläche. Sie erhalten - ganz ähnlich wie beim Schreiben mit Kreide auf einer Tafel - einen Abrieb, der aus feinen Schuppen besteht.

Bei fast allen Oberflächen bleiben diese Schuppen im Lichtmikroskop unsichtbar, was, neben der lange vorherrschenden Meinung, 2D-Kristalle dieser Art müssten sich sofort einrollen, „zerknüllen“, oder sonst irgendwie zerstören, ihre späte Entdeckung erklärt. Auf den von den Forschern verwendeten oxidierten Siliziumwafern verrieten sich die einige Mikrometer großen monoatomaren Flocken über Interferenzerscheinungen, die sie in bestimmte Farben tauchten. Zur sicheren Identifizierung setzten die Forscher zusätzlich unter anderem Atomkraft- und Transmissionselektronenmikroskope ein.

Um die elektrische Leitfähigkeit der Filme zu untersuchen, stellten die Forscher wie bei der Vorgängerarbeit mit gängigen lithografischen Techniken Bauelemente her, die sich wie Feldeffekttransistoren verhalten. Bei den Messungen erwies sich die Schicht aus Bi₂Sr₂CaCu₂O_x als Isolator, während die 2D-Dichalcogenide den elektrischen Strom gut leiteten und einen ausgeprägten Feldeffekt aufwiesen.

Ähnliche Erfolge wie bei den inzwischen in makroskopischen Maßen herstellbaren Nanoröhrchen erwartet die Gruppe bei der industriellen Herstellung großer Wafer aus diesen Materialien - wenn sie erst einmal gut untersucht und verstanden sind, wie ihre Entdecker betonen. Dann sollten schon in wenigen Jahren ultraschnelle Transistoren, mikromechanische Bauelemente und Nanosensoren sowie angesichts eventueller neuartiger Eigenschaften der 2D-Materialien auch bisher unvorhersehbare Anwendungen machbar sein. (jr)