Forschung : Materialeigenschaften im Dreh

2D-Materialien haben einen Boom in der Materialforschung ausgelöst. Nun zeigt sich: Spannende Effekte treten auf, wenn man zwei solche Schichtmaterialien aufeinanderstapelt und leicht verdreht. Die Entdeckung des Materials Graphen, das nur aus einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen besteht, war der Startschuss für ein weltweites Forschungswettrennen: Aus unterschiedlichen Atomsorten stellt man heute sogenannte „2D-Materialien“ her – atomar dünne Schichten, die oft ganz besondere Materialeigenschaften aufweisen, wie man sie in herkömmlichen, dickeren Materialien nicht findet.

Nun wird diesem Forschungsbereich ein weiteres Kapitel hinzugefügt: Wenn man zwei solche 2D-Schichten im richtigen Winkel stapelt, ergeben sich nochmals neue Möglichkeiten. Durch die Art, in der die Atome der beiden Schichten interagieren, entstehen komplizierte geometrische Muster, und diese Muster haben entscheidende Auswirkungen auf die Materialeigenschaften, wie ein Forschungsteam der TU Wien und der Universität von Texas (Austin) nun zeigen konnte. Phononen – die Gitterschwingungen der Atome – werden wesentlich durch den Winkel beeinflusst, in dem man die beiden Materialschichten aufeinander legt. Somit kann man mit winzigen Drehungen einer solchen Schicht die Materialeigenschaften maßgeblich verändern.

Die Grundidee kann man mit zwei Stück Fliegengitter oder mit anderen regelmäßigen Strukturen, die man übereinanderlegen kann, ausprobieren: Wenn beide Gitter perfekt deckungsgleich aufeinanderliegen, kann man von oben betrachtet kaum erkennen, ob es sich um ein oder zwei Gitter handelt. An der Regelmäßigkeit der Struktur hat sich nichts geändert.

Wenn man nun aber eines der Gitter um einen kleinen Winkel dreht, dann gibt es Stellen, an denen die beiden Gitter ungefähr zueinanderpassen, und andere Stellen, an denen sie ungefähr gegengleich zu liegen kommen. So kann man interessante Muster erzeugen: Das ist der bekannte Moiré-Effekt. „Genau dasselbe kann man auch mit den Atomgittern zweier Materialschichten machen“, sagt Dr. Lukas Linhart vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. Das Bemerkenswerte daran ist, dass sich dadurch bestimmte Materialeigenschaften dramatisch ändern können. So wird etwa Graphen, wenn man zwei Schichten davon auf die richtige Weise kombiniert, zum Supraleiter.

„Wir untersuchten Schichten von Molybdändisulfid, das ist neben Graphen wohl eines der wichtigsten 2D-Materialien“, sagt Prof. Florian Libisch, der das Forschungsprojekt an der TU Wien leitete. „Wenn man zwei Schichten dieses Materials aufeinanderlegt, treten sogenannte Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Atomen dieser beiden Schichten auf. Das sind relativ schwache Kräfte, aber sie reichen aus, um das Verhalten des Gesamtsystems völlig zu verändern.“ In aufwändigen Computersimulationen analysierte das Forschungsteam, welchen Zustand die neue Zweischicht-Struktur aufgrund dieser schwachen Zusatzkräfte annimmt, und wie das die Schwingungen der Atome in den beiden Schichten beeinflusst.

„Wenn man die beiden Schichten ein bisschen gegeneinander verdreht, dann führen die Van-der-Waals-Kräfte dazu, dass die Atome beider Schichten ihre Positionen ein kleines bisschen verändern“, so auch Dr. Jiamin Quan, von der UT Texas in Austin. In Experimenten konnten die Rechenergebnisse bestätigt werden: Durch den Drehwinkel lässt sich einstellen, welche Atomschwingungen in dem Material physikalisch überhaupt möglich sind.

„Materialwissenschaftlich ist es eine wichtige Sache, auf diese Weise Kontrolle über die Phononen-Schwingungen zu haben“, sagt Lukas Linhart. „Dass elektronische Eigenschaften eines 2D-Materials verändert werden können, indem man zwei Schichten miteinander verbindet, war schon vorher bekannt. Aber dass auch die mechanischen Schwingungen im Material dadurch gesteuert werden können, eröffnet uns nun neue Möglichkeiten: Phononen und elektromagnetische Eigenschaften hängen eng miteinander zusammen. Über die Schwingungen im Material kann man daher in wichtige Vielteilchen-Effekte steuernd eingreifen.“ Nach dieser ersten Beschreibung des Effekts für Phononen, versucht das Team nun Phononen und Elektronen kombiniert zu beschreiben und hofft so, mehr über wichtige Phänomene wie Supraleitung zu erfahren.

Auswirkungen der Verdrehung von Materialeigenschaften für die industrielle Fertigung

„Über industrielle Fertigung zu diesem Zeitpunkt zu sprechen ist vielleicht etwas früh. Klar ist momentan, dass beim Stapeln von 2D Materialien der relative Winkel der zwei Gitter die Materialeigenschaften beeinflussen kann. Unsere Arbeit zeigt wie auch die Gitterschwingungen durch den relativen Winkel beeinflusst werden. Die Herstellung der Proben im Labor ist momentan noch sehr aufwendig, da der Winkel sehr genau definiert sein muss“, erklärt Prof. Libisch, Leiter des Forschungsprojekts an der TU Wien. „Im Hinblick auf die momentane aktive Forschung zur industriellen Fertigung von beispielsweise Graphene stehen meines Wissens nach momentan noch Materialqualität einer Lage und Skalierbarkeit im Vordergrund. Da zum Beispiel Graphene bei genau dem richtigen Winkel supraleitend wird (magic-angle graphene), mag der relative Winkel zwischen übereinandergestapelten Lagen durchaus einmal von Relevanz werden. Das größte Problem hier ist meines Wissens die Gitterausrichtung der einzelnen Lagen überhaupt genau genug zu kennen, um einen Vorgegebenen relativen Drehwinkel zu definieren.“