Die Eigenschaften von 2D-Halbleitern, insbesondere ihre interfacialen Merkmale und die spezifische Geometrie, spielen eine entscheidende Rolle für die Entwicklung und das Design von modernen elektronischen und optoelektronischen Geräten. In den letzten Jahren haben die Wissenschaftler erkannt, dass die Interaktionen an der Grenze zwischen den 2D-Schichten und den benachbarten Materialien zu außergewöhnlichen, teils neuartigen physikalischen Eigenschaften führen. Diese Eigenschaften können dazu genutzt werden, eine Reihe von Geräten mit maßgeschneiderten elektrischen und optischen Eigenschaften zu entwickeln, die in klassischen, voluminösen Halbleitern nicht realisierbar wären.

Ein wichtiger Aspekt, der mit den interfacialen Eigenschaften von 2D-Halbleitern zusammenhängt, ist die Möglichkeit, die Bandstruktur der Materialien durch gezielte Gestaltung der Interfaces zu beeinflussen. Durch die Wahl des richtigen Substrats oder die Kombination von verschiedenen 2D-Materialien können Bandabgleichung und Bandlückenengineering erreicht werden. Diese Fähigkeit eröffnet die Möglichkeit, Geräte zu entwerfen, die eine verstellbare Bandlücke besitzen und so für unterschiedliche Anwendungen optimiert werden können. In optoelektronischen Bauteilen wie Lasern kann dies zu einer erheblichen Steigerung der Photolumineszenz-Eigenschaften führen, wodurch die Helligkeit und Effizienz von Geräten gesteigert werden.

Darüber hinaus ermöglicht die feine Abstimmung der interfacialen Eigenschaften eine Verbesserung der Beweglichkeit von Ladungsträgern, was insbesondere für hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzgeräte von Bedeutung ist. Feldeffekttransistoren (FETs) aus 2D-Halbleitern profitieren von diesen Eigenschaften, da die korrekte Gestaltung der Interfaces die Streuung von Elektronen reduziert und somit die Leistung der Bauelemente steigert. 2D-Halbleiter, die mit speziellen Oberflächenmerkmalen oder Defekten ausgestattet sind, können ebenfalls in der Gassensorik oder in der chemischen Sensorik von großer Bedeutung sein, da sie besonders empfindlich auf die Adsorption von Gasen reagieren.

Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal von 2D-Halbleitern ist ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen, die durch Interaktionen mit benachbarten Materialien oder Substraten entstehen. Diese Spannungen, die oft als "interfaciale Dehnung" bezeichnet werden, können die elektronischen und mechanischen Eigenschaften des Materials erheblich beeinflussen und somit für die Entwicklung spezialisierter Geräte genutzt werden. Beispielsweise ermöglicht die präzise Steuerung der Oberflächenchemie durch funktionelle Gruppen an den Interfaces die Anpassung der chemischen Reaktivität von 2D-Materialien, was für Anwendungen in der Katalyse und chemischen Sensorik von Bedeutung ist.

Die Geometrie von 2D-Halbleitern spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung ihrer physikalischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu den traditionellen dreidimensionalen Kristallen besteht die Struktur von 2D-Halbleitern aus einer einzigen Schicht von Atomen oder Molekülen, die in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind

Wie funktionieren Gas-Sensoren aus zweidimensionalen Halbleitermaterialien und welche Fortschritte gibt es bei ihrer Herstellung?

Die bemerkenswerte Mobilität und die niedrige Oberflächenenergie zweidimensionaler Halbleitermaterialien (2D SCMs) tragen entscheidend zu einer schnellen Reaktionsfähigkeit von Gassensoren bei. Die atomare Dicke dieser Materialien ermöglicht eine rasche Diffusion von Gasen und verkürzt somit die Erholungszeit der Sensoren erheblich. Aktuelle Forschungsansätze konzentrieren sich darauf, 2D SCMs für Gassensoren zu optimieren, wobei Design, Synthese und das Verständnis der zugrunde liegenden Gas-Sensor-Mechanismen im Fokus stehen.

2D SCMs sind Halbleitermaterialien mit einer planar aufgebauten Struktur, die meist aus wenigen atomaren Schichten bestehen und dadurch eine reduzierte Dimensionalität aufweisen. Zu den wichtigsten Vertretern zählen Graphen, verschiedene Sulfide wie Molybdändisulfid (MoS2) oder Seleniddisulfid (MoSe2) sowie Phosphide. Die Herstellung dieser Materialien erfolgt durch diverse Methoden wie mechanische und wässrige Exfoliation, chemische Gasphasenabscheidung (CVD), atomlagenweise Abscheidung (ALD), Elektronenstrahlverdampfung, nasschemische Synthese und selektives Ätzen.

Mechanische Exfoliation, bei der mehrschichtige Materialien in dünne Schichten getrennt werden, ist eine verbreitete Technik. Beispielsweise gelang es, einlagige MoSe2-Nanoschichten bei Raumtemperatur herzustellen, was zur Entwicklung leistungsfähiger NH3-Gassensoren führte. Auch MoTe2-Flakes, die durch mechanische Exfoliation auf Siliziumsubstrate aufgebracht wurden, zeigten beeindruckende Sensitivität gegenüber NO2 bei gleichzeitig geringer Reaktion auf Feuchtigkeit, was Anwendungen wie die Atemluftanalyse ermöglicht. Im Gegensatz dazu bietet die wässrige Exfoliation Vorteile wie berührungsfreie Handhabung, Skalierbarkeit, Effizienz und Umweltfreundlichkeit. So wurden beispielsweise 1,5 nm dünne NbWO6-Perowskit-Nanoschichten hergestellt und auf keramische Röhren mit Gold-Elektroden beschichtet, um miniaturisierte Seitenheiz-Sensoren zu fertigen. Dabei erfolgt die Erkennung von H2S durch Oxidation an voradsorbierten Sauerstoffspezies auf der NbWO6-Oberfläche, begleitet von einem Elektronentransfer, der den Sensorbetrieb steuert.

Für hochwertige 2D SCMs mit exakter Dickenkontrolle und homogener Zusammensetzung hat sich die ALD-Technik als besonders geeignet erwiesen. So wurden dünne Al2O3/TiO2-Filme hergestellt, die bei Raumtemperatur H2-Gas in weniger als 30 Sekunden erkannten, ohne dass eine zusätzliche Heizung notwendig war. Ebenso konnte durch ALD direkt auf flexible Substrate 2D SnS2 gewachsen werden, was die Selektivität und Leistung gegenüber NO2 deutlich verbesserte und somit neue Perspektiven für flexible und tragbare Sensoren eröffnete.

Die CVD-Methode bietet aufgrund ihrer kontrollierten und schnellen Wachstumsdynamik sowie ihrer Material- und Funktionsvielfalt bedeutende Vorteile gegenüber physikalischen Methoden wie der Exfoliation, die oft zeit- und energieintensiv ist und Substratschäden verursachen kann. Während Graphen ursprünglich mechanisch exfoliert wurde, ist CVD heute Standard, um große, homogene Schichten herzustellen, die selbst bei Raumtemperatur empfindliche Nachweise von NO2 und NH3 ermöglichen. So konnten monolagige MoS2-Schichten mit Schottky-Kontakten mittels CVD präzise synthetisiert werden, die auf sehr niedrige Gaskonzentrationen mit starken Stromänderungen reagieren. Die Adsorption der Zielgasmoleküle auf der Oberfläche führt hier oft zu starken Bindungen, deren Auflösung zusätzliche Energie, etwa durch UV-Licht, erfordert, um schnelle Reaktions- und Erholungszeiten sicherzustellen.

Nasschemische Methoden ergänzen das Spektrum der Herstellungsverfahren, da sie durch niedrige Temperaturen, einfache Handhabung, gute Skalierbarkeit und Verfügbarkeit der Rohstoffe überzeugen. So wurden heterostrukturierte MoS2/ZnO-Materialien gefertigt, die bei niedrigen NO2-Konzentrationen außergewöhnlich hohe Sensitivitäten zeigen.

Grundsätzlich zielen alle Methoden darauf ab, 2D SCMs von höchster Qualität herzustellen, bei der Größe, Dicke, Schnittstellenoptimierung und Materialvielfalt exakt kontrolliert werden, um letztlich kosteneffiziente und großflächige Produktionsprozesse zu ermöglichen. Die Gas-Sensormechanismen beruhen im Kern auf der Adsorption von Gasmolekülen auf der 2D-Oberfläche, die entweder physikalisch über Van-der-Waals-Kräfte oder chemisch durch Bindung an aktive Zentren erfolgt. Diese Adsorption verändert die elektronische Struktur des Materials durch Ladungstransfer, was wiederum die elektrische Leitfähigkeit und somit das Sensorsignal beeinflusst.

Neben der reinen Materialherstellung ist das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Gasmolekülen und 2D-Materialien entscheidend. Die Unterschiede zwischen physikalischer und chemischer Adsorption beeinflussen die Sensitivität, Selektivität und Reaktionsgeschwindigkeit der Sensoren maßgeblich. Die Integration solcher Materialien in flexible, miniaturisierte oder raumtemperaturbetriebene Sensoren eröffnet vielfältige Anwendungsfelder, von Umweltüberwachung bis hin zur Medizindiagnostik. Ebenso bleibt die Herausforderung, die Balance zwischen hoher Sensitivität und schneller Erholung zu optimieren, um praktisch einsetzbare Sensoren zu entwickeln. Fortschritte in der Synthese und im Materialdesign erlauben zunehmend die präzise Anpassung der Oberflächenchemie und elektronischen Eigenschaften, wodurch die Effizienz der Sensoren stetig verbessert wird.

Wie sich die britische Kameratradition im letzten Aufbäumen der heimischen Industrie behauptete
Wie man mit Atemtechnik und Beckenbodenübungen die Muskeln während der ersten Schwangerschaft stärkt
Wie man köstliche Fruchtkonserven und kulinarische Leckerbissen aus der Natur zaubert
Wie das Universum Dich erschafft: Das Selbst als Teil eines größeren Ganzen
Was macht ein gutes kulinarisches Erlebnis aus?