Für Graphen gilt fast jeder Superlativ. Die ultradünne, nur ein Atom starke Kohlenstoffschicht ist biegsam, härter als Stahl, leitfähiger als Kupfer und so dünn, dass sie praktisch als zweidimensional (2-D) betrachtet werden kann. Seit Graphen im Jahr 2004 entdeckt wurde, sind Forscher verrückt danach.

Nicht ganz so Andras Kis: Er fand Graphen zwar auch klasse, aber seiner Meinung nach "musste es einfach mehr geben als nur Kohlenstoff". Vier Jahre später gründete er seine eigene Gruppe für Nanoelektronik an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) und konzentriert sich seitdem auf eine Reihe superflacher Materialien, die bisher ihr Dasein im Schatten des Graphen fristeten.

Der Name dieser Materialien ist recht kompliziert – Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDCs) –, ihre 2-D-Form dafür ziemlich einfach. Eine einzelne Schicht aus Atomen eines Übergangsmetalls wie Molybdän oder Wolfram wird zwischen zwei gleich dicken – besser gesagt dünnen – Schichten von Chalkogenen wie Schwefel und Selen eingebettet, die als Elemente im Periodensystem unter Sauerstoff stehen. TMDCs sind fast genauso dünn, transparent und biegsam wie Graphen, erklärt Kis. "Aber irgendwie waren sie für viele uninteressant; von mir bekamen sie eine zweite Chance."

Das sollte sich auszahlen. Zusammen mit ein paar anderen Forschern konnte sein Team allein durch Kombination der Elemente TMDCs mit einer großen Bandbreite an elektrischen und optischen Eigenschaften herstellen. Anders als Graphen sind viele TMDCs Halbleiter und könnten so zu digitalen Prozessoren in Molekülgröße verarbeitet werden, die wesentlich energieeffizienter sind als die bisherigen aus Silizium.

Innerhalb weniger Jahre waren Forschungsgruppen der ganzen Welt auf der Jagd nach 2-D-Materialien. "Zuerst gab es nur eines, dann zwei oder drei, und plötzlich gab es eine ganze Fülle von 2-D-Materialien", erinnert sich Kis. So fanden sich 2008 auch nur vereinzelt Publikationen dazu, inzwischen werden etwa sechs pro Tag veröffentlicht. Laut Schätzungen von Physikern gibt es derzeit ungefähr 500 verschiedene 2-D-Materialien; nicht nur Graphen und TMDCs gehören dazu, sondern auch Schichten von Metalloxiden und Einzelelement-Materialien wie Silicen und Phosphoren. "Wer ein 2-D-Material mit bestimmten Eigenschaften braucht, der wird es auch finden", denkt der Physiker Jonathan Coleman vom Trinity College in Dublin.

Graphen: Beispiel für den Flachstapel-Aufbau
© Gibney, E.: 2D or not 2D. In: Nature 522, S. 274–276, 2015; dt. Bearbeitung: Spektrum der Wissenschaft
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernFlachstapel-Aufbau
Kristalle aus dem Übergangsmetall-Dichalkogenid (TMDC) besitzen ein Übergangsmetallatom (grün) pro zwei Chalkogenatome (orange). Etwa 40 dieser TMDCs – meist die mit einem hier im Periodensystem dunkelgrün unterlegten Metall – können in 2-D-Schichten gesplittet werden, die biegsam und transparent sind und Elektrizität hervorragend leiten. Einige von ihnen sind außerdem Halbleiter.

Auch wenn es komisch klingt: Einer der interessantesten Entwicklungsansätze ist das Stapeln der 2-D-Materialien. Damit sind sie nämlich immer noch sehr flach, aber schon in 3-D-Struktur. Könnte man die Vorteile der sehr unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener superflacher Materialien ausnützen, ließen sich vielleicht komplette digitale Schaltkreise aus atomdicken Komponenten schaffen und bisher undenkbare Bauelemente herstellen. In Bereichen wie Energieerzeugung und Quantenkommunikation wird bereits für Anwendungen geworben, obwohl die Physiker gerade erst anfangen, das Material zu erforschen.

"Jedes einzelne ist wie ein Legostein", erklärt Kis. "Wenn man sie zusammenbaut, kann man vielleicht etwas völlig Neues schaffen."

Abenteuer im Flachland

Ein nur wenige Atome dickes Material kann sich in seinen Eigenschaften völlig von festen Materialien aus denselben Molekülen unterscheiden. "Auch mit altbekanntem Material eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, sobald es in 2-D-Form gebracht wird", schwärmt Yuanbo Zhang, der als Experte für experimentelle Festkörperphysik an der Fudan University in Schanghai in China forscht.

Kohlenstoff ist das klassische Beispiel dafür, wie die Physiker Andre Geim und Konstantin Novoselov im Jahr 2004 zeigten, als sie aus ihrem Labor an der University of Manchester in Großbritannien erstmals von Graphen berichteten. Ihre Technik war dabei fast lächerlich einfach: Im Prinzip wurde ein Streifen Klebeband auf Graphitflocken gepresst und wieder abgezogen, womit nur wenige Atome dicke Schichten des Ausgangsmaterials entfernt wurden. Das Ganze wurde so lange wiederholt, bis Einzelschichten entstanden waren, von denen viele Theoretiker früher glaubten, dass sie isoliert nicht existieren könnten. In den folgenden Jahren untersuchten Geim und Novoselov die erstaunlichen Eigenschaften von Graphen und erhielten im Jahr 2010 für ihre Arbeiten den Nobelpreis für Physik.

"Jedes einzelne ist wie ein Legostein" (Andreas Kis)

Viele Forscher suchten nun fieberhaft nach allen möglichen Anwendungen des Graphens mit seinen positiven Eigenschaften – von flexiblen Bildschirmen bis zur Energiespeicherung. Doch leider erwies sich das Material für die Digitalelektronik als ungeeignet. Hierfür sind Halbleiter dagegen perfekt, weil sie die Elektrizität erst weiterleiten, wenn die Energie ihrer Elektronen durch Hitze, Licht oder externe Spannung erhöht wird. Ihr Energiebedarf ist vom Material abhängig und wird Bandlücke genannt; das An- und Ausschalten der Leitfähigkeit erzeugt die Einsen und Nullen der digitalen Welt. Anders als Halbleiter hat Graphen in reiner Form keine Bandlücke und leitet ununterbrochen.

Der Erfolg von Geim und Novoselov spornte Forscher wie Kis an, nach alternativen 2-D-Materialien mit Bandlücke zu suchen. Sie starteten mit TMDCs, an deren Volumenform schon seit den 1960er Jahren geforscht wurde; im Jahr 2010 präsentierte das Team um Kis seinen ersten Einzelschicht-Transistor aus dem TMDC Molybdändisulfid (MoS2; siehe Infografik "Flachstapel-Aufbau"). Solche Geräte könnten eines Tages Bestandteil flexibler Elektronik sein, weil sie mit ihrer geringen Komponentengröße und den niedrigen Spannungsanforderungen deutlich weniger Energie als herkömmliche Silizium-Transistoren verbrauchen. Die Halbleitereigenschaft ist aber nicht ihr einziger Vorteil. Laut den ersten Tests kann MoS2 nämlich auch Licht effektiv absorbieren und emittieren, was das Molekül – wie vermutlich auch andere TMDCs – für Solarzellen und Fotodetektoren attraktiv macht.

Aufbau von Molybdändisulfid
© Ben Mills / public domain
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 Bild vergrößernAufbau von Molybdändisulfid
Übergangsmetall-Dichalkogenide wie das Molydändisulfid sind keine echten 2-D-Materialien, denn ihre Moleküle bilden anders als das planare Graphen eine dreidimensional strukturierte Monoschicht, bei denen das Calkogen, hier der Schwefel, aus der Ebene herausragt.

Eine einzelne Schicht TMDC kann mehr als zehn Prozent der ankommenden Photonen einfangen, eine unglaubliche Zahl für ein nur drei Atome dickes Material, bemerkt der Physiker Bernhard Urbaszek vom LPCNO (Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets) in Toulouse in Frankreich. Das ist auch bei einem ganz anderen Projekt von Vorteil, bei dem Licht in Elektrizität umgewandelt werden soll. Wenn ein ankommendes Photon den Dreischichtenkristall trifft, hilft es einem Elektron, die Bandlücke zu überwinden und sich durch einen externen Stromkreis zu bewegen. Jedes frei werdende Elektron hinterlässt eine Art leeren Platz im Kristall, sozusagen ein positiv geladenes Loch an einer Stelle, wo eigentlich ein Elektron sein sollte. Legt man eine Spannung an, bewegen sich diese Löcher und Elektronen in entgegengesetzter Richtung – es fließt Strom.

Dieser Prozess kann aber auch umgekehrt werden, um Elektrizität in Licht zu verwandeln. Werden Elektronen und Löcher von einem externen Stromkreis in ein TMDC geleitet und treffen dort aufeinander, dann rekombinieren sie und geben ihre Energie als Photonen ab.

Diese Eigenschaft macht TMDCs zu viel versprechenden Kandidaten für die Informationsübertragung durch Licht, für den Einsatz in winzig kleinen Niedrigenergie-Lichtquellen und sogar für den Bau von Lasern. Dieses Jahr konnten gleich vier verschiedene Arbeitsgruppen die vollständige Kontrolle von Lichtemissionen zeigen und beschrieben, wie das TMDC Wolframdiselenid (WSe2) einzelne Photonen absorbieren und abgeben kann. Ansätze zur Quantenkryptografie und Kommunikationen mit Kodierung der gesamten Information in einem Photon benötigen solche Emitter, bei denen man "auf Knopfdruck ein Photon erhält", erklärt Urbaszek. Bisher werden Einzel-Photonen-Emitter oft aus gewöhnlichen Halbleitern hergestellt, aber 2-D-Materialien könnten kleiner sein und sich leichter mit anderen Geräten kombinieren lassen. Ihre Emitter befinden sich auch zwangsläufig auf der Oberfläche, was sie effizienter und leichter kontrollierbar macht.

Auch wenn die Forscher bisher mit TMDCs gut zurechtkamen, wurde in der theoretischen Physik weiter nach anderen Materialien gesucht, die in 2-D hergestellt werden können. Naheliegend war dabei Silizium, das im Periodensystem eine Stellung direkt unter Kohlenstoff einnimmt. Es formt chemische Bindungen in ähnlicher Weise, hat eine natürliche Bandlücke und wird bereits verbreitet in der Elektronikindustrie eingesetzt. Laut Berechnungen müsste eine ein Atom dicke Schicht Silizium im Gegensatz zu Graphen eine gezahnte Struktur besitzen, die zusammengeschoben und auseinandergezogen werden kann, um steuerbare Bandlücken zu schaffen. Dabei würde das so genannte Silicen, vergleichbar dem Graphen, Elektronen viel schneller als die meisten TMDCs leiten.

Allerdings müsste eine 2-D-Schicht aus Silicen laut theoretischen Berechnungen an der Luft extrem reaktiv und instabil sein. Zudem könnte sie nicht wie andere 2-D-Materialien aus einem Kristall isoliert werden, weil natürliches Silizium ausschließlich in einer dem Diamantkristall ähnlichen 3-D-Form existiert und nicht vergleichbar mit den Schichten aus Kohlenstoff in Graphit ist. "Viele fanden es verrückt und unmöglich", erinnert sich der Physiker Guy Le Lay von der Université Aix-Marseille in Frankreich, der schon jahrelang das Wachstum von Metallen auf Siliziumoberflächen untersucht. Nun nahm er den umgekehrten Weg und ließ atomdünne Schichten Silizium auf Silber wachsen, um auf diese Weise Silicen herzustellen. Im Jahr 2012 war es dann endlich so weit: Das entstandene Silicen hatte eine atomare Struktur, die mit 2-D-Materialien perfekt übereinstimmte.

Beflügelt von diesem Erfolg klapperten Le Lay und andere Forscher die gesamte Kohlenstoffgruppe des Periodensystems ab. Letztes Jahr ließen sie mit einer ähnlichen Technik ein 2-D-Netz aus Germaniumatomen – Germanen – auf einem Goldsubstrat wachsen. Le Lays nächstes Ziel ist Stanen, ein 2-D-Gitter aus Zinnatomen. Dieses sollte eine größere Bandlücke als Silicen und Germanen haben, so dass entsprechende Bauelement auch bei höheren Temperaturen und Spannungen arbeiten könnten. Außerdem sollten nur die äußeren Ränder der Schichten die Ladungen tragen und dadurch eine höchst effiziente Leitung möglich sein. Doch die Konkurrenz schläft nicht. Obwohl noch niemand das erfolgreiche Wachstum von Stanen beschrieben hat, sollen Arbeitsgruppen in China angeblich kurz vor dem Durchbruch stehen.

Weitere Elemente

Auch an anderen Elementen des Periodensystems wird geforscht. Zhangs Team und die Mitarbeiter von Peide Ye an der Purdue University in West Lafayette in Indiana berichteten im vergangenen Jahr, wie sie 2-D-Phosphorenschichten aus schwarzem Phosphor abzogen, einer schon seit einem Jahrhundert untersuchten Volumenform des Phosphors. Wie auch Graphen leitet Phosphoren Elektronen rasend schnell, hat aber eine natürliche Bandlücke und ist dafür stabiler als Silicen.

Phosphoren ist gerade richtiggehend auf dem Vormarsch. Bei einem Symposium der American Physical Society im Jahr 2013 gab es lediglich einen einzigen Vortrag von Mitgliedern aus Zhangs Gruppe – 2015 wurden dem Material bereits drei komplette Sitzungen gewidmet. Aber vergleichbar dem Grundelement des 2-D-Materials reagiert auch Phosphoren stark mit Sauerstoff und Wasser. Soll es länger als einige Stunden stabil bleiben, muss es zwischen zwei Schichten eines anderen Materials eingebettet werden. Diese Instabilität macht die Herstellung von Bauelementen mit "-enen" natürlich schwierig, und laut Le Lay dürften etwa 80 Prozent aller Publikationen derzeit rein theoretischer Natur sein.

"Viele fanden es verrückt und unmöglich" (Guy Le Lay)

Trotz alledem konnten Zhang und Ye erfolgreich einen Phosphoren-Transistor bauen. Dieses Jahr wurde auch vom ersten Transistor aus Silicen berichtet, der allerdings nur ein paar Minuten überlebte. Le Lay ist weiterhin optimistisch und denkt, die bisherigen Probleme überwinden zu können. Erst vor zwei Jahren, so betont er, erklärten Geim und andere Physiker, Silicen-Transistoren wären mit derzeitiger Technologie nicht herstellbar. "Die Zukunft lässt sich immer schwer vorhersagen", lacht Le Lay.

Die nächste Dimension – Lego lässt grüßen

Während einige Physiker nach neuen 2-D-Materialien suchen und deren Eigenschaften verstehen wollen, stapeln andere sie bereits übereinander. "Anstatt mühsam eines herauszupicken und dieses als das beste zu bezeichnen, ist es vielleicht schlauer, sie zu kombinieren und auf diese Weise all ihre verschiedenen Vorteile zu nutzen", meint Kis.

So könnten Komponenten aus verschiedenen 2-D-Materialien gestapelt und kleine, dichte 3-D-Schaltkreise gebildet werden. Die Materialien ließen sich auch in andere Komponenten einbetten, was unter Chipherstellern schon gängige Praxis ist, wenn sie Schichten verschiedener Halbleiter übereinander wachsen lassen und damit Laser für DVD-Spieler produzieren. Bei den bisher gängigen Produkten ist das knifflig, denn jede Schicht muss mit der nächsten chemisch verbunden sein, und nur bestimmte Kombinationen sind möglich, weil sonst die Verspannung zwischen den verschiedenen Kristallgittern in jeder Schicht eine Bindung unmöglich machen würde. Bei 2-D-Materialien tritt dieses Problem erst gar nicht auf: Die Atome der einzelnen Schichten binden nur sehr schwach an die jeweils benachbarten Lagen, und die Spannung ist minimal. Viele Schichten von Halbleitern, Isolatoren und Leitern können deshalb zu komplexen Bauelementen gestapelt werden. Sie werden gemeinhin als Van-der-Waals-Heterostrukturen bezeichnet und sind nach den schwachen Bindungen benannt, welche die Schichten zusammenhalten.

Graphen wurde zum Beispiel bereits mit MoS2 und WSe2 gekoppelt, um Übergänge im Inneren von Solarzellen und Fotodetektoren herzustellen und so die Fähigkeit der Halbleiter zur Photonenabsorption und die Möglichkeiten von Graphen zur raschen Weiterleitung freier Elektronen auszunutzen. Im Februar dieses Jahres drehten Novoselov und seine Gruppe das Solarzellenkonzept um und stellten eine Licht emittierende Diode aus MoS2 und anderen TMDCs her, die zwischen Graphen-Elektroden eingebettet war. Durch die Auswahl der TMDCs konnte das Team sogar die Wellenlänge der frei werdenden Photonen festlegen.

Das Stapeln verschiedener 2-D-Schichten erlaubt den Physikern zudem ein Feintuning ihrer Bauelemente. Auch wenn die Bindungen zwischen den Schichten schwach sind, können sie sich auf Grund ihrer nahe beieinanderliegenden Atome gegenseitig und auf subtilste Weise beeinflussen, erklärt der Physiker Wang Yao von der Universität von Hongkong. Stapelreihenfolge, Freiräume und Ausrichtung kontrollieren deshalb das Verhalten der Bauelemente. "Eine solche Modellierung bereitet uns Theoretikern zwar Kopfzerbrechen, aber die physikalischen Eigenschaften sind auf jeden Fall vorhanden", sagt Yao.

Auch Graphen kann mit Hilfe anderer 2-D-Materialien noch verbessert werden, weiß Marco Polini zu berichten, der mit seiner Gruppe an der NEST (National Enterprise for Nanoscience and Nanotechnology) in Pisa in Italien an Bauelementen arbeitet, bei denen Graphen zwischen zwei 2-D-Schichten des Isolators Bornitrid eingeschlossen wurde. Wenn man Laserlicht hier fokussiert, wird es verdichtet und durch die Graphenschicht kanalisiert, und zwar viel stärker als in Einheiten, bei denen Graphen zwischen seinen Volumenkristallen liegt. Grundsätzlich ließen sich so Informationen zwischen Chips mit Hilfe von Photonen statt mit Elektrizität übermitteln, was eine wesentlich schnellere und effizientere Kommunikation ermöglichen könnte.

Praktische Anwendungen

Die derzeitige Begeisterung für 2-D-Materialien erinnert an den Enthusiasmus über Graphen im Jahr 2005, meint der Physiker Jari Kinaret von der Chalmers University of Technology in Göteburg in Schweden, der das Graphen-Programm der Europäischen Union leitet, in dem auch andere 2-D-Materialien untersucht werden. Seiner Meinung nach könnte es aber noch zwei Jahrzehnte dauern, bis sich das Potenzial dieser Materialien wirklich einschätzen lässt. "Die Anfangsstudien von 2-D-Materialien fokussierten sich vorwiegend auf ihre elektrischen Eigenschaften, weil diese den Physikern am Herzen liegen", erklärt er. "Tatsächliche Anwendungen, sollten sie überhaupt irgendwann kommen, betreffen wahrscheinlich eher noch nicht vorhersehbare Gebiete."

Die Topkandidaten aus dem Labor sind auch nicht immer diejenigen, die es letztlich in die reale Welt schaffen. Wie man einheitliche, defektfreie Schichten auch noch günstig herstellen kann, ist im Moment bei allen 2-D-Materialien die große Frage. Die Klebebandtechnik ist für TMDCs und Phosphoren zwar gut geeignet, für die Produktion im großen Maßstab aber viel zu zeitaufwändig. Außerdem ist die Herstellung größerer Mengen von schwarzem Phosphor teuer, weil dafür natürlich vorkommender weißer Phosphor extremem Druck ausgesetzt werden muss. Auch ist es im Moment noch nicht richtig möglich, Einzelschichten eines 2-D-Materials quasi aus dem Nichts wachsen zu lassen, ganz zu schweigen von den geschichteten Strukturen, die Physiker so viel versprechend finden. "Die Herstellung unserer Heterostrukturen hat ewig gedauert", erinnert sich der Physiker Xiaodong Xu von der University of Washington in Seattle. "Wie können wir das beschleunigen oder automatisieren? Es gibt noch viel zu tun."

An solchen praktischen Überlegungen könnte es auch liegen, wenn all die frühen Verheißungen der 2-D-Materialien in absehbarer Zeit nicht in Erfüllung gehen. "Es gab schon öfter solch einen Wirbel, doch vieles waren nur Modeerscheinungen", sagt Kis. "Dieses Mal wird aber sicher irgendetwas herauskommen, bei der riesigen Zahl von Materialien und Eigenschaften." Und diese werden laut Coleman immer mehr. Forscher diskutieren schon über Arsenen, einen wichtigen Verwandten von Phosphoren.

"Wenn alle in verschiedenen Richtungen suchen, finden sich bestimmt neue Materialien mit tollen Eigenschaften", glaubt Coleman. " Das beste 2-D-Material ist wahrscheinlich noch nicht gefunden."