Das ideale zweidimensionale Material bildet ein perfektes Gitter ohne Fehlstellen, und es gibt möglichst wenige Korngrenzen – so etwas wie Nähte zwischen perfekten Bereichen, die bei der Herstellung entstehen. Eines dieser vielversprechenden Materialien ist hexagonales Bornitrid (hBN), das aus den Elementen Bor (B) und Stickstoff (N) besteht. Wie das bekanntere Graphen bildet hBN ein Gitter, allerdings ist es ein Isolator und damit interessant zum Beispiel für Transistoren, die aus mehreren Schichten verschiedener 2D-Materialien hergestellt werden.
Druck muss passen
Eine Herstellungsmethode für hBN ist die chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD), die auch das Team um Professor Dr. Michael Horn-von Hoegen von der UDE verwendet hat. Dabei wird das gasförmige Prozessgas Borazin als Quelle für Bor und Stickstoff über einen Iridium-Einkristall geleitet. Dort zersetzt sich das Gas zunächst und bildet dann bei hohen Temperaturen bis 1.100 °C eine neue, gitterförmige Struktur auf der Iridium-Oberfläche.
Was die Physiker selbst erstaunte: Temperaturabhängig bildet sich entweder hBN (800 °C) oder Borophen (ab etwa 950 °C) – eine Gitterstruktur aus einer einzigen Atomlage Bor, analog zu Graphen. Der Stickstoff desorbiert in diesem Fall in das umgebende Hochvakuum. Zudem fand das Team heraus, dass der angelegte Druck im Experiment Einfluss auf das Wachstum des Materials hat: Bei zu geringem Druck bildet sich keine zusammenhängende Schicht auf dem Iridium, bei zu hohem Druck entstehen zu viele einzelne Inselchen, die unregelmäßig zusammenwachsen und die Materialqualität mindern.
Effiziente Methode zum Lösen muss gefunden werden
Dem Team gelang es, die Parameter zu identifizieren, die zu einer hochwertigen, geschlossenen Schicht führen. Zudem fanden sie die jeweils ideale Herstellungstemperatur für zwei verschiedene Materialien aus einem einzigen Vorgängerstoff. „Unsere Ergebnisse haben Modellcharakter für andere Untersuchungen mit bi-elementaren Ausgangsstoffen“, so Horn-von Hoegen. „Sie sind künftig bei allen neuen 2D-Materialien zu bedenken, die durch CVD entstehen“, ergänzt Marko Kriegel, der die Studie für seine Masterarbeit durchgeführt hat.
Noch gibt es keine effiziente Methode, das Material vom teuren Iridiumkristall zu lösen, aber die Ergebnisse lassen sich übertragen auf CVD-Prozesse mit anderen, kostengünstigeren Substraten, die sich beispielsweise wegätzen ließen.
Die Arbeit entstand innerhalb des internationalen Graduiertenkollegs 2D-Mature, das die UDE gemeinsam mit der University of Waterloo (Kanada) eingeworben hat.
