Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2015

Anisotrope 2D Materialien – Synthese, Charakterisierung und Optimierung

Prof. Dr. Tom Nilges
Technische Universität München
Lehrstuhl für Chemie - Synthese und Charakterisierung innovativer Materialien

Prof. Dr. Chongwu Zhou
University of Southern California, Los Angeles
Electrical Engineering - Nanoloab

Verbindungen mit schichtartigem, 2-dimensionalem Aufbau haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer Eigenschaften reges Interesse in den Materialwissenschaften hervorgerufen. Materialien dieser Art decken nahezu den ganzen Absorptionsbereich von halbmetallischem Graphen [1], halbleitenden Metall-Dichalkogeniden [2] oder Phosphoren (schwarzer Phosphor Schichten) [3], bis hin zum Isolator Bornitrid [4]. Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Synthese von niederdimensionalen Nanomaterialien und Bauteilen von Hauptgruppenelementverbindungen. Wir beabsichtigen, dotierte und hoch-substituierte Schichten dieser Verbindungen herzustellen und somit die physikalischen Eigenschaften zu beeinflussen. Die Synthese und Primärcharakterisierung wird an der TU München im Arbeitskreis von Prof. Nilges und die spektroskopische Untersuchung sowie der Bau von Transistoren in der Gruppe von Prof. Zhou, an der University of Southern California USC stattfinden.

[1] Novoselov, K. S. et al., Science 306, 666-669 (2004).
[2] Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N. & Strano, M. S., Nat. Nanotechnol. 7, 699-712 (2012).
[3] Li, L. et al., Nat. Nanotechnol. 9, 372-377 (2014).
[4] Coleman, J. N. et al., Science 331, 568-571 (2011).

Abschlussbericht
Das Projekt behandelte Synthese, Charakterisierung und Optimierung von phosphor-basierten 2D-Halbleitern. Orthorhombischer schwarzer Phosphor (und durch Delamination hieraus erhaltenes Phosphoren), schwarzes Arsen-Phosphor (inkl. delaminierte Nano-Blättchen) und antimondotierte, violette Phosphor Nano-Stäbchen waren die Ziele der Untersuchungen. Für alle drei Materialien wurde die Synthese und Primärcharakterisierung an der TU München durchgeführt und anschließend Proben in LA an die USC geschickt, um dort Halbleiter-Bauteile zu bauen und zu testen.

Schwarzer Phosphor wurde erfolgreich in einzelne Phosphoreneschichten delaminiert und zum Bau von Feldeffekttransistoren verwendet. [1]. Die Modulation der elektronischen Struktur und die Möglichkeit der Adsportion/Desorption von NO₂ Gas wurde benutzt, um die Senoreigenschaften des 2-D Phosphors zu beleuchten. Diese Untersuchung ist ein bahnbrechender Meilenstein im Bereich der Gassensorik, da hier die Sensibilität eines solchen Sensors von ppm in den ppb Bereich verlagert werden konnte.

Während der Förderungsperiode war es uns möglich, die Eigenschaften dieser phosphoren-basierten Feldeffekttransistoren und Sensoren zu optimieren. Wir entdeckten, dass eine Paladium-Wasserstoff Verbindung als effektivstes Material zur Kontaktierung von Phosphoren mit geeigneten Substraten für Feldtransistoren dienen kann [4]. Diese effiziente Kontaktierung mit geringen Kontaktwiderständen führt zu einer signifikanten Verbesserung der Bauteileigenschaften und wird somit für die zukünftigen Forschungen auf diesem Gebiet befruchten. Diese Studie spiegelt die Wichtigkeit einer gemeinsamen Zusammenarbeit von Materialwissenschaftlern (TUM) und Ingenieuren (USC) wider, um die bestmöglichen Optimierungsstrategien zu entwickeln. Ohne die Förderung durch BaCaTeC wäre das Phosphor/Phosphoren Projekt nicht realisiert worden.

Bei der Fortsetzung unseres 2D Projektes erforschten wir zudem neuartige 2D Materialien. Eine 83%ige Substitution von Phosphor durch Arsen führte zu schwarzem Arsen-Phosphor, der eine vergleichbare Struktur wie schwarzer Phosphor aufweist. Nach der erfolgreichen Darstellung eines Zweischicht-Materials konnten die beiden Forschungsgruppen aus LA und München optimierte Feldeffekttransistoren herstellen. [2]. Aus dieser Studie konnten wir ableiten, dass der beachtlich reduzierte Bandabstand der Arsen-Phosphor-Bindung von 0,15 eV (schwarzer Phosphor liegt bei 0,33 eV als Bulkmaterial) für den sensitiven Nachweis von infrarotem Licht dienen kann. Aus diesem Grund fertigten wir Halbleiter-Bauteile zur IR Detektion an, die nur aus wenigen Schichten AsP aufgebaut waren (Wellenlänge 3,4 bis 7,7 ?m) und mit hoher Empfindlichkeit und sehr schneller Detektionsrate (11 GHz) messen konnten [5].

Während der Projektlaufzeit wurde ein anderes Projekt begonnen, welches die Erforschung von Halbleiter-Nanostäbchen aus schichtartig aufgebauten (oder 2D), antimon-substituierten, violetten Phosphorschichten zum Ziel hatte [3]. Nach Delaminierung des Materials schufen wir FETs, die es ermöglichten, sichtbares Licht sehr sensitiv zu detektieren. Durch die Antimon-Substitution wurde die Bandlücke von >2 eV beim violetten Phosphor auf 1,67 eV in Sb@violett P reduziert und damit in den sichtbaren Lichtbereich überführt. Eine hohe Ladungsträgermobilität und ein signifikanter Ein/Aus Quotient charakterisierten dieses System.

Die BaCaTeC Förderung wurde genutzt, um den Besuch von Prof. Nilges vom 10. bis zum 18. Oktober 2015 an die USC durchführen zu können und die drei unabhängigen Unterprojekte zu initiieren. Zwei Doktoranden aus der Forschungsgruppe von Prof. Nilges (F. Baumer und D. Pfister) wurden vom 18.09. bis zum 29.09.2016 an die USC entsandt, um ihre Experimente durchzuführen und die Kollegen an der USC in der Synthese der Materialien zu schulen. Das erarbeitete Wissen bei diesen zwei Aufenthalten wurde in meine Gruppe transferiert und half Frau C. Ott sich in dieses Projekt einzuarbeiten. Wir beabsichtigen, dieses überaus erfolgreiche Projekt in Zukunft fortzusetzten und wir bedanken uns bei BaCaTeC für die großzügige Unterstützung.

Publizierte Arbeiten:

[1] Black Phosphorus Gas Sensors; Ahmad N. Abbas, Bilu Liu, Liang Chen, Yuqiang Ma, Sen Cong, Noppadol Aroonyadet, Marianne Köpf, Tom Nilges, Chongwu Zhou ACS Nano 9 (2015), 5618-5624. (114 citations in Google Scholar)

[2] Black Arsenic-Phosphorus: Layered Anisotropic Infrared Semiconductors with Highly Tunable Compositions and Properties B. Liu, M. Köpf, A. A. Abbas, X. Wang, Q. Guo, Y. Jia, F. Xia, R. Weihrich, F. Bachhuber, F. Pielnhofer, H. Wang, R. Dhall, S. B. Cronin, M. Ge, X. Fang, T. Nilges, C. Zhou Adv. Mater. 27 (2015), 4423-4429. (65 citations in Google Scholar)

[3] Synthesis, Characterization, and Device Application of Antimony-Substituted Violet Phosphorus – A Layered Material Franziska Baumer, Yuqiang Ma, Chenfei Shen, Anyi Zhang, Liang Chen, Yihang Liu, Daniela Pfister, Tom Nilges, and Chongwu Zhou ACS Nano 11(4) (2017), 4105-4113.

[4] Black Phosphorus Field-Effect Transistors with Work Function Tunable Contacts Yuqiang Ma, Chenfei Shen, Anyi Zhang, Liang Chen, Yihang Liu, Jihan Chen, Qingzhou Liu, Zhen Li, Moh. R. Amer, Tom Nilges, Ahmad N. Abbas. Chongwu Zhou ACS Nano (2017), 11 (7), 7126-7133.

[5] Air-stable mid-infrared photodetectors based on pristine arsenic-phosphorus heterostructures Shaofan Yuan, Claudia Ott, Tom Nilges, Chongwu Zhou and Fengnian Xia (2017) paper submitted.