Materialwissenschaften : TU Wien stellt erstmals stabiles Silicen her

Die Entdeckung zweidimensionaler Materialien, die nur aus einer einzigen Schicht von Atomen bestehen, hat in der Elektrotechnik einen gewaltigen Forschungsboom ausgelöst. Das bekannteste Material dieser Art ist wohl Graphen, das aus einer einzigen Schicht bienenwabenartig angeordneter Kohlenstoffatome besteht.

Als große Schwester von Graphen könnte man Silicen bezeichnen: Es hat genau dieselbe sechseckige Struktur wie Graphen, besteht aber aus Siliziumatomen. Dieses neuartige Silizium-Material hat fantastische elektronische Eigenschaften, ist aber leider extrem instabil. Einem Elektrotechnik-Forschungsteam am Institut für Festkörperelektronik der TU Wien ist es nun allerdings erstmals gelungen, Silicen zu stabilisieren und haltbar zu machen – mit Hilfe von Graphenschichten, die auf das Silicen aufgesetzt werden. Diese Technik wurde im Fachjournal „Applied Materials and Interfaces“ präsentiert, die Erstautorin Viktoria Ritter wurde in Cambridge bei der internationalen Konferenz INFOS 2019 dafür ausgezeichnet.

„Silicen ist ein äußerst vielversprechendes Material“, sagt Viktoria Ritter. „Es hat extrem bewegliche Ladungsträger und seine elektronischen Eigenschaften lassen sich steuern, indem man beispielsweise von außen ein elektrisches Feld anlegt.“ Damit ist es im Prinzip möglich, aus Silicen winzige Transistoren herzustellen. Allerdings hat das Material gegenüber Graphen einen entscheidenden Nachteil: Während Graphen bei normalem Druck und normaler Temperatur problemlos stabil bleibt, wird die Silicen-Schicht in kurzer Zeit zerstört, wenn sie mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Daher kann Silicen nur im Ultrahochvakuum hergestellt werden.

In den Reinraumlabors der TU Wien am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) gelang es dem Forschungsteam nun allerdings, Silicen haltbar zu machen. Man versiegelte es mit mehreren Graphen-Schichten. „Das ist technisch keine leichte Aufgabe – denn würde man die Vakuumkammer kurz öffnen, um das Graphen hineinzubringen, würde das die Silicenschicht bereits zerstören“, erklärt Jakob Genser, ebenfalls Mitglied des Forschungsteams. Die einzige Chance war daher, die nötigen Graphen-Lagen von Anfang an in die Vakuumkammer einzubringen, dann die Luft vollständig aus der Kammer zu entfernen, eine Silicenschicht auf einer Unterlage aus Silber wachsen zu lassen und sie dann direkt im Ultrahochvakuum mit dem Graphen zu bedecken.

Graphen beeinflusst die Struktur von Silicen nicht

„Wir an der TU Wien sind weltweit die Ersten, denen dieser Trick gelungen ist“, sagt Viktoria Ritter. „Danach kann man das Graphen-bedeckte Silicen problemlos herausnehmen und bei normalen Umgebungsbedingungen untersuchen.“ Das Team konnte mit Laser-Messmethoden nachweisen, dass das Silicen, geschützt durch die Graphenschichten, auch außerhalb des Vakuums mehrere Tage lang stabil ist. „Das Graphen beeinflusst die Struktur von Silicen nicht, es dient einfach nur als Barriere, die Sauerstoff aus der Luft vom Silicen fernhält“, erklärt Daniele Nazzari, der auch im Festkörperelektronik-Team forscht. Außerdem zeigt der Erfolg dieser Methode, dass Silicen und Graphen miteinander kompatibel sind – eine wichtige Erkenntnis für die Herstellung neuer ultradünner Schichtstrukturen.

Von der IEEE („Institute of Electrical and Electronics Engineers“, ein weltumspannender Elektrotechnik-Berufsverband) wurde Viktoria Ritter nun bei der INFOS-Konferenz in Cambridge mit dem Best Student Paper Award ausgezeichnet. „Das ist natürlich ein weiterer Ansporn für unsere Forschung“, sagt Viktoria Ritter, „wir sind gerade dabei, einige weitere wichtige Fragen in diesem Zusammenhang zu beantworten und hoffen, dass unsere Silicen-Arbeit weiterhin so erfolgreich ist.“